YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
SMC YÖNTEMİ İLE POLİMER ESASLI KOMPOZİT MALZEMEDEN TRAKTÖR KAPORTASI İMALATI
02065214 Önder BULUT
MAKİNE MALZEMESİ VE İMALAT TEKNOLOJİSİ ANABİLİM DALINDA HAZIRLANAN
LİSANS BİTİRME TEZİ
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER
İSTANBUL, 2009
İÇİNDEKİLER
ŞEKİL LİSTESİ......................................................................................................................4 ÇİZELGE LİSTESİ.................................................................................................................6 ÖNSÖZ...................................................................................................................................6 ÖZET......................................................................................................................................7 1.GİRİŞ...................................................................................................................................8 2.KOMPOZİT MALZEMELER..............................................................................................9 Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri ........................................................................ 10 Kompozit Malzemelerin Olumlu ve Olumsuz Yanları........................................................11 2.4. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları................................................................ 16 3.KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI................................................. 21 3.1. Yapı ve Geometrik Özelliklere Göre Sınıflandırma..................................................... 21 3.1.1. Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler............................................................ 21 3.1.2. Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler................................................................. 21 3.1.3. Tabakalı Kompozit Malzemeler............................................................................ 22 3.1.4 Karma (Hibrid) Kompozit Malzemeler.................................................................. 25 3.2. Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma..................................................................... 26 3.2.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemeler................................................................... 26 3.2.1.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Matris Malzemeleri........ 27 3.2.1.1.1 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeler............................................. 27 3.2.1.1.2. Titanyum Matrisli Kompozit Malzemeler................................................28 3.2.1.1.3. Magnezyum Matrisli Kompozit Malzemeler............................................ 29 3.2.1.2. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri..... 29 3.2.1.2.1. Bor Elyaflar............................................................................................. 29 3.2.1.2.2. Silisyum Karbür Elyaflar......................................................................... 30
3.2.1.2.3 Alümina Elyaflar...................................................................................... 30 3.2.1.3. Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri.......................................... 31 3.2.1.4. Metal Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları.......................................... 32 3.2.2. Seramik Matrisli Kompozit Malzemeler............................................................... 33 3.2.2.1. Seramik Matrisli Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması........................... 35 3.2.2.1.1. Cam - Seramik Sistemleri........................................................................ 35 3.2.2.1.2. Seramik – Metal Sistemleri...................................................................... 36 3.2.3. Karbon-Karbon Kompozitler................................................................................ 37 3.2.3.1 Mekanik Özellikler......................................................................................... 38 3.2.3.2 Üretim Yöntemleri.......................................................................................... 38 3.2.3.2.1 Gaz Fazı İle Doldurma..............................................................................38 3.2.3.2.2. Sıvı Faz ile Doldurma.............................................................................. 38 4. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER..................................................... 40 4.1. Polimer Matris Malzemeleri........................................................................................ 40 4.1.1. Termoset Matrisler............................................................................................... 41 4.1.1.1. Polyester Reçineler.........................................................................................41 4.1.1.2. Vinil Ester Reçineler...................................................................................... 42 4.1.1.3. Epoksi Reçineler............................................................................................ 42 4.1.1.4. Fenolik Reçineler........................................................................................... 43 4.1.1.5. Diğer Termoset Reçineler...............................................................................44 4.1.2. Termoplastik Matrisler......................................................................................... 45 4.2. Polimer Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Takviye Malzemeleri.............................. 47 4.2.1. Cam Elyaflar........................................................................................................ 48 4.2.2. Karbon Elyaflar.................................................................................................... 51 4.2.3. Aramid Elyaflar.................................................................................................... 53 4.2.4. Bor Elyaflar..........................................................................................................55
4.3. Polimer Esaslı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri........................................ 55 4.3.1. El Yatırması Yöntemi........................................................................................... 56 4.3.2. Elyaf Püskürtme Yöntemi..................................................................................... 57 4.3.3. Vakumlama Yöntemi............................................................................................59 4.3.4. Otoklav Yöntemi.................................................................................................. 61 4.3.5. Elyaf (Flaman) Sarma Yöntemi............................................................................ 61 4.3.6. Reçine Transfer (RTM) Yöntemi.......................................................................... 63 4.3.7. İnfüzyon Yöntemi.................................................................................................64 4.3.8 Profil Çekme / Pultruzyon Yöntemi....................................................................... 65 4.3.9.Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemi.......................................................................... 66 4.3.10. Ekstrüzyon Yöntemi........................................................................................... 67 4.3.11. Preslenebilir Takviyeli Termoplastik (GMT) Yöntemi........................................ 67 4.3.12. Hazır Kalıplama (SMC-BMC) Yöntemleri......................................................... 67 4.4. Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Özellikleri ................................................. 69 4.4.1. Mekanik Özellikler............................................................................................... 69 4.4.2. Isıl Özellikler........................................................................................................73 4.4.3. Elektriksel Özellikler............................................................................................ 73 4.4.4. Yorulma .............................................................................................................. 74 4.4.5. Sürünme ...............................................................................................................74 4.4.6. Korozyon Davranışı..............................................................................................75 4.4.7. Yanmazlık Özelliği...............................................................................................75 5. SMC YÖNTEMİ İLE TRAKTÖR KAPORTASI İMALATI............................................ 76 5.1. SMC Hazır Kalıplama Bileşeninin Hazırlanması.........................................................77 5.1.1. Formülasyon Bileşenleri ...................................................................................... 77 5.1.2. Pastanın Hazırlanması.......................................................................................... 79 5.1.3. Elyaf Islatma ve Pestilin Hazırlanması..................................................................79
5.2. SMC Sıcak Kalıplama İşlemi...................................................................................... 81 5.2.1 Kalıbın Hazırlanması............................................................................................. 81 5.2.2. Şarj Hazırlama ve Yerleştirme.............................................................................. 82 5.2.3. Kalıbın Kapatılması ve Malzemenin Şekillendirilmesi..........................................83 5.2.4. Kalıptan Çıkarma ve Son Kürleşme..................................................................... 83 5.3. Boyama ......................................................................................................................84 5.4. Kalite Kontrol.............................................................................................................85 5.5. Son İşlemler................................................................................................................86 6. SONUÇ.............................................................................................................................87 KAYNAKÇA........................................................................................................................88
ŞEKİL LİSTESİ Şekil 2.1. Kompozit
Malzemelerin Yoğunluk-Elastiklik Modülü Grafiğinde Diğer
Malzemelerle Karşılaştırılması Şekil 2.2. Temel Mühendislik Parametreleri Bazında Kompozit ve Konvansiyonel Malzemelerin Karşılaştırılması 1- Çelik 2- Alüminyum 3- Kompozit Malzeme Şekil 2.3. Bir Yolcu Uçağında Kompozit ve Diğer Malzemelerin Kullanımı Şekil 2.4. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Otomobil Parçaları: soldan sağa manifold, fren diski, şaft Şekil 2.5. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Şehircilik Uygulamaları; Mazgal, Bank ve Çöp Kutusu Şekil 2.6. Kompozit Malzemeden Üretilmiş Bir Atlama Sırığının Bileşenleri Şekil 3.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Şekil 3.2. Bir bal peteği kompozitinin yapısını oluşturan elemanlar Şekil 3.3. Bal Peteği Kompozit Hücre Tipleri Şekil 3.3 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeden Üretilmiş Fren Elemanları Şekil 3.4 Bir Seramik Matrisli Kompozit Fren Diski Şekil 4.1 Cam Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.2 Cam Elyaf Üretimi Makara Kısmının Ayrıntılı Görünüşü Şekil 4.3 Karbon Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.4. Aramid Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.5. El Yatırması Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.6. Elyaf Püskürtme Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.7 Püskürtme Yöntemiyle Küvet İmalatı Şekil 4.8. Vakumlama Yöntemi Prensibi Şekil 4.9. Elyaf Sarma Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.10. RTM Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.11 Pultruzyon Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.12. Enjeksiyon Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.13. Hazır Kalıplama Yönteminin Şematik Görüntüsü Şekil 4.14. Paralel ve Dik Yönlenmiş Lifler ile Elastisite Modülü İlişkisi Şekil 5.1. SMC Elyaf Islatma ve Pestil Hazırlama Makinesi Şematik Görüntüsü Şekil 5.2. Kalıp ve Parça Tasarımı ile Bilgisayarda Modelleme Şekil 5.3. CNC Dik İşleme Merkezinde Kalıbın İşlenmesi Şekil 5.4. Şarjın Kalıba Yerleştirilmesi Şekil 5.5. Kalıbın Açılması ve Katılaşmış Parça Şekil 5.6. Boyama ve Kurutma İşlemleri Şekil 5.7. SMC Deney Çubuğu İçin Mekanik Test Makinesi Şekil 5.8. SMC Malzemeden Üretilen Traktör Kaportasının Son Hali
ÇİZELGE LİSTESİ Tablo 2.1. Çeşitli Mühendislik Malzemelerle Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin Kıyaslanması Tablo 3.1.
Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Çeşitli Takviye Türlerinin
Karşılaştırılması Tablo 3.2. Çeşitli Seramiklerin Mekanik Özellikleri Tablo 3.3 Ticari Karbon-Karbon Kompozitlerin Tipik Mekanik Özellikleri Tablo 4.1.. Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri Tablo 4.2. Termoset Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları Tablo 4.3. Bazı Termoplastik Malzemelerin İşlem Sıcaklıkları Tablo 4.4 Çeşitli Cam Liflerin Özellikleri Tablo 4.5. Çeşitli Aramid Fiberlerin Mekanik Özellikleri Tablo 4.6. Tek Yönde %60 Oranında Takviyelendirilmiş Epoksi Reçine Matrisli Kompozitlerin Enine ve Boyuna Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması Tablo 4.7. Geleneksel Bazı Malzemelerle Polimer Esaslı Kompozitlerin Karşılaştırılması
Tablo 5.1. SMC Formülasyon Bileşenleri ÖNSÖZ Mühendisliğin doğuşu malzemenin, insanlığın yararı gözetilerek işlenmesi ve kullanılması düşüncesine dayanmaktadır. Bir başka deyişle malzeme, mühendisliğin temelini oluşturan yapı taşlarından biridir. İnsanlık tarihinin başlangıından beri var olan malzemeler, teknolojinin bir yüzyılda olağanüstü bir hızla gelişmesi sonucu ihtiyaçlara cevap veremez hale gelmiş ve bu durum var olan malzemelerin özelliklerinin geliştirilmesi yoluna gidilmiştir. Kompozit malzemelerin ortaya çıkması da tam olarak bu süreçte gerçekleşmiştir. Bu çalışmada detaylı olarak polimer esaslı kompozit malzemelerin mekanik özellikleri ve üretim safhaları üzerinde durulmuş ve pratik bir uygulama olarak traktör kaportasının polimer esaslı malzemeden imal edilmesi incelenmiştir. Bu tez çalışmasında, konuya ilgi duymama vesile olan, tez çalışmamda ilgi duygduğum konuda çalışmamı sağlayan, araştırmaya sevkedici ve uygulamaya dönük çalışmaya teşvik eden değerli tez danışmanım ve hocam Prof. Dr. Ayşegül Akdoğan Eker’e teşekkür ederim. Uygulamanın incelenmesi esnasında bilgi birikimini paylaşan CTP Kompozit San. Tic Ltd. Şti. firması adına sayın Uğur İnci’ye ve diğer firma çalışanlarına katkılarından ötürü teşekkür ederim. CTP Kompozit San. Tic Ltd. Şti. firmasında incelemelerde bulunmama vesile olan ve elinden gelen her türlü imkanı sağlamaya çalışan Makine Mühendisleri Odası Beyoğlu Şubesi’nden sayın Çetin Kartal’a teşekkür ederim. Öğrenim hayatım boyunca maddi manevi desteklerini esirgemeyen babam Suha Bulut, annem Atike Bulut, ağabeyim Özgür Bulut ve eşi Beyza Bulut’a teşekkür ederim. Tez çalışmam esnasında her zaman yanımda olan ve yardımlarını esirgemeyen arkadaşlarım Haluk Keskin, Deniz Uymaz, Özdemir Özden, Burak Özüntürk ve Nermin Akel’e teşekkür ederim.
ÖZET Kompozit malzemeler günümüzde başta yüksek teknolojiye sahip ürünler olmak üzere birçok alanda kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler estetik, dayanım, tasarım esnekliği, yüksek sıcaklık dayanımı gibi birçok avantaj sağlar. Bu nedenle kompozit malzeme kullanımı her türlü pratik uygulamada da giderek artmaktadır. Bu çalışmada, kompozit malzemeler genel özellikleri ile ele alınmış, sınıflandırılmış ve polimer esaslı kompozit malzemeler yapı bileşenleri ve üretim yöntemleri ile birlikte ayrıntılı olarak incelenmiştir. Ayrıca bu çalışmada, bir traktör kaportasının polimer esaslı kompozit malzemeden imal edilişi
adım adım ayrıntılı
bir
şekilde
ele alınmış
ve konvansiyonel tasarımla
karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kompozit, Polimer, SMC, Traktör Kaportası
1.GİRİŞ Mühendislik biliminin temelini malzemeler oluşturmaktadır. İlk çağlardan beri insanoğlu doğada karşılaştığı maddeleri yaşamı kolaylaştırma adına şekillendirmek suretiyle kullanmaktadır. İlerleyen teknoloji ile birlikte ihtiyaçların artması ve yeryüzünde keşfedilen malzeme çeşidinin artık sınırlara ulaşması sonucu malzeme bilimi ve mühendisliği, eldeki malzemeleri çeşitli takviyelerle güçlendirerek yeni özelliklere sahip malzemeler oluşturma yoluna gitmiştir. Böylece kompozit malzemeler doğmuş ve günümüzde birçok alanda yaşamımızdaki yerlerini almıştır. Kompozit malzemelerin geçmişi çok eskilere dayanmaktadır. İlk kompozit malzeme örneği olarak kerpiç verilebilir. Eski Mısır’da ve Çin’de kerpiç içine saman karıştırarak malzeme dayanımı
arttırma yoluna gidilmiştir.
Cam liflerinin
yapımı
eski Mısır’a
kadar
tarihlendirilmektedir. Daha M.Ö 1600 yıllarında Mısır’da ince cam liflerinin yapımının bilindiği, XVIII. Hanedan devrinden kalan, çeşitli karanlık ve renkte cam lifleriyle bezenmiş amforaların mevcudiyetinden anlaşılmaktadır. Cam liflerinin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt, 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında bu yüz yılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır. Demir takviyeli beton kullanımı 19.yy.a kadar uzanmaktadır. Fenolik reçinelerin asbest elyaflar ile takviye edilmesi 20.yy.ın başlarına rastlamaktadır. Elyaf sargı tekniğin geçmişi 1946 yıllarına dayanmaktadır.1950’li yıllarda özellikle roket uygulamalarında kullanılmaya başlanmıştır. Liflerle donatılı sentetik reçineler 1950’li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemenin en tanınmış grubunu “cam lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti” oluşturmaktadır. Ülkemizde “fiberglas” diye tanınan bu malzeme 1960’lı yılların başından itibaren Türkiye’de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Bu çalışmada kompozit malzemeler ana hatları ile ele alınacak, polimer esaslı kompozit malzemeler ve üretim yöntemleri ayrıntılı olarak incelenecek ve son bölümde bir traktör kaportasının polimer esaslı kompozit malzemeden imal edilme süreci incelenecektir.
2.KOMPOZİT MALZEMELER Mühendislik malzemeleri genellikle metaller, seramikler ve plastikler olmak üzere üç ana gruba ayrılır. Bunların yanında iki veya daha çok malzemenin uygun özelliklerini bir araya getirmek, ya da yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmeleriyle oluşturulan malzemeler karma (kompozit) malzemeler olarak adlandırılırlar. [1] Başka bir deyişle kompozit malzeme; kimyasal bileşimleri farklı iki veya daha fazla malzemenin, kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek daha uygun malzeme oluşumu için birbiri içerisinde çözünmeden makro seviyede birleştirilmesi sonucu meydana gelen malzemelerdir. Burada kastedilen özellikler;
mukavemet, hafiflik, sıcaklık ve korozyon direnci, ısıl ve
elektriksel iletkenlik gibi farklı özellikler olabilmektedir.
Kompozit malzemelerin özellikleri büyük ölçüde bileşenlerin özelliklerine, geometrisine ve bunların dağılımına bağlıdır. Kompozit malzemeler genellikle matris dediğimiz ana faz ile takviye verici malzemeden oluşurlar. Burada takviye veri malzeme genellikle fiber olarak adlandırılır. Matris fazın ve ikincil fazın (takviye fiber) istenilen özellikleri verecek oranda fiziksel karışımı ile kompozit malzeme üretilir.
Kompozit malzemenin özelliğini belirleyen en önemli parametrelerden birisi de takviye ve bağlayıcı malzemelerin oranıdır. Matris olarak kullanılan malzemenin amacı fiber malzemeleri yük altında bir arada tutmak ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Takviye malzemeleri ise; gelen yükleri karşılayarak kompozitin dayanımını ve rijitliğini oluştururlar.
Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri Bilim ve teknolojinin büyük bir hızla ilerlediği günümüzde, her geçen gün yeni ve üstün özelliklere sahip malzeme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu ihtiyaçlar, kompozit malzemelerin geliştirilmesi için itici gücü oluşturmuştur. Son yıllarda elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin üretimi ve endüstriyel uygulamalarda kullanımı büyük ölçüde artmıştır. Bu malzemelerin yüksek özgül mukavemet ve rijitliğe sahip olması, uzay sanayi,
otomotiv ve kimya endüstrisi gibi birçok alanda kullanılmasını sağlamıştır. Ayrıca bu malzemelerden dişli, kam, tekerlek, fren ve debriyaj balataları, yataklar, muylular gibi aşınmaya maruz kalabilecek parçaların imali de gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. [18] Kompozit malzemenin oluşum aşamasında doğa ve insanın yapısı örnek olmuştur. İnsan vücudundaki çoğu dokular yüksek eğilme kabiliyeti gösteren liflerden meydana gelmiştir ve bu lifler zorlanma ve yüklenmelere karşı koyabilmek için düzene konmuş ve birbirlerinin üstünde kayarak dokunun dayanıklı olmasını sağlamaktadır. Odun yapısının araştırılması sonucu hücre duvarlarının spiral yapılı selüloz liflerinden yapılmış olduğu ve matris malzemesinin de lignin olduğu görülmüştür. Bu sürekli bir fiber ve bir matris malzemeden meydana gelmiş tipik bir kompozit malzemedir. [15]
Kompozit malzemelerin üretiminde genel amacın bazı özellikleri iyileştirmek olduğu daha önce ifade edilmişti. Kompozit malzemelerde makroskobik muayene ile yapı bileşenlerinin ayırt edilmesi mümkündür. Yapılarında birden fazla sayıda fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro ölçüde homojen olmalarına karşılık mikroskobik muayene ile mikro ölçüde heterojen olduğu görülür. Kompozit malzemelerde yapı bileşenlerinin makro boyutta oldukları kabul edilir.
Bu açıdan bakıldığında kompozit malzemeler; a) Dizayn amacı olan (yüksek mukavemet-düşük ağırlık gibi), b) Dizayn amacı sağlayan birden fazla saf/kompozit malzeme bulunduran
(beton basma-yapı dayanımı), c) Uygun yöntemle makro bileşime sahip, d) İstenmeyen özelliklerin azaltılabilmesi özelliklerine sahip olmalıdır.
Oluşan kompozit malzemenin özellikleri her bir fazın tek başına sahip olduğu özelliklerin bir birleşimidir. Dolayısıyla malzemenin özellikleri her bir fazın sadece kendi içinde değerlendirilmesiyle belirlenemez. [5]
Kompozit Malzemelerin Olumlu ve Olumsuz Yanları Kompozit
malzemeler
temelde
özelliklerin
iyileştirilmesine
yönelik
geliştirilmiş
malzemelerdir. Fakat olumsuz yanları da yok değildir. Aşağıda kompozitlerin olumlu ve olumsuz yanları incelenerek diğer malzemelerle belirli özelliklerinin kıyaslaması yapılmıştır.
· Yüksek Mukavemet: Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir. [2]
Tablo 2.1. Çeşitli Mühendislik Malzemelerle Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin Kıyaslanması [14]
· Kolay Şekillendirebilme: Büyük ve karmaşık parçalar tek işlemle bir parça halinde kaplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar. Kompozitler bir tasarımcının aklına gelebilecek her türlü karmaşık, basit, geniş, küçük, yapısal, estetik, dekoratif ya da fonksiyonel amaçlı olarak tasarlanabilir. [2]
· Elektriksel Özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler. · Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet: Kompozitler, hava etkilerinden,
korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması, endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır. Kimya endüstrisinde çeşitli reaktif veya çözeltilerin depolanmasında, taşınmasında çözeltilere karşı inert davranan, reaksiyon vermeyen malzemelerin seçilmesi gerekir. Bu iş için en uygun malzemeler paslanmaz çelikler ve plastiklerdir. Tamamen plastik bir malzeme mukavemetsiz, tamamen paslanmaz çelikten yapı ise çok pahalıdır. Paslanmaz çeliğe göre çok daha ucuz olan düşük karbonlu çeliğin kimyasal maddeyle temas yüzeyinin plastik malzeme ile kaplanması hem yüksek mukavemetli hem de ucuz bir çözüm olacaktır.
· Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı: Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir. Kompozit malzemelerde, yüksek ısıl gerilmelere dayanıklı malzeme tasarımı kolay ve mümkündür. Özellikle tabakalaşmış kompozit malzemelerde bu tasarım yapılır. Örneğin, sıvı yakıcı-yakıtlı roket motoru yanma odası tasarımında burada malzemeden istenen özellikler düşük ağırlık, yüksek ısıl ve basınca dayanıklılık, yanma kararsızlığından oluşan yüksek dinamik yüklere dayanım (ve dolayısıyla yüksek bir sürünme dayanımı) gibi özelliklerdir. Görüleceği üzere bu özellikler birbiriyle çelişen özelliklerdir. İşte bu tür yapılar içinde kompozit malzemeler kullanılabilir.
· Kalıcı Renklendirme: Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve isçilik gerektirmez.
· Titreşim Sönümleme: Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece en aza indirgenmiş olmaktadır. · Hafiflik: Kompozitler birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere, hem de metallere göre daha yüksek mukavemet değerleri sunmaktadır. Şekil 2.1.’deki yoğunluk-mukavemet ilişkisinde kompozit malzemelerin yeri görülmektedir.
Şekil 2.1. Kompozit Malzemelerin Yoğunluk-Elastiklik Modülü Grafiğinde Diğer Malzemelerle Karşılaştırılması [5]
Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da su şekilde sıralanabilir: · Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz etkilemektedir. · Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler. · Ayni kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir. · Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez. · Hammaddenin pahalı olması; Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon elyafının bir metrekarelik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $ ’dır. · Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesime dayanıklılık özelliği bulunmaktadır · Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite
yoktur. · Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir. · Malzemelerin sinirli raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak saklanmaları gerekmektedir. · Sıcak kurutma gerekmektedir. · Kompozitler onarılmadan önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. · Bazı kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir. [2]
Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Şekil 2.2.’de alüminyum ve çelik gibi endüstride çok kullanılan iki malzeme ile kompozit malzemelerin bir karşılaştırması verilmiştir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil gövde ve tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple banyo ünitelerine, ev eşyalarından tarım araçlarına kadar birçok sanayi kolunda problemleri çözümleyecek bir malzeme çeşididir.
Şekil 2.2. Temel Mühendislik Parametreleri Bazında Kompozit ve Konvansiyonel Malzemelerin Karşılaştırılması 1- Çelik 2- Alüminyum 3- Kompozit Malzeme [12]
2.4. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları Günümüzde kompozit malzemelerin kullanım alam çok geniş boyutlara ulaşmıştır. Kompozit malzemelerin başlıca kullanım alanları ve bu alanlarda sağlanan avantajlar şu şekilde sıralanabilir:
Havacılık Sanayi: Havacılık sanayisinde kompozitler, gün geçtikçe daha geniş bir uygulama alanına sahip olmaktadır. Planör gövdesi, uçak modelleri, uçak gövde ve iç dekorasyonu, helikopter parçaları ve uzay araçlarında başarıyla kullanılmaktadır. Daha hafif malzemeyle atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır. Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Kompozit malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde sadece iç mekân değil, yapısal parçalarını da polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır. [23]
Uçaklar genellikle gövde ağırlık kontrolü uzun hizmet ömrü, sistem dizaynının ana hatları ve maliyet karakterlerinin yarısına belirli navlun, mesafe, seyir sürati irtifa gibi performans gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu durumlarda, ağırlığı en az tutulan dizayn kriteri en uygun olacaktır. Buna göre uygun özelliklere sahip hafif metaller en iyi verimi sağlayacaktır. Kompozit malzemeler bu amaçla kullanılabilecek uygun bir malzeme grubunu oluşturmaktadır. [2] Şekil 2.3’de bir yolcu uçağını oluşturan malzemeler görülmektedir.
Şekil 2.3. Bir Yolcu Uçağında Kompozit ve Diğer Malzemelerin Kullanımı [22]
Otomotiv Sanayi: Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından, otomobil üreticileri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar. Buna ilaveten petrol yakıtlarına alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır. Bu alanda kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastikleridir. [13]
Kompozit
malzemeler
arasında
en
yaygın
olarak
polimer
matrisli
kompozitler
kullanılmaktadır. Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller kadar emniyetli tasarımları mümkündür. Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir araba 35 mil/saat çarpma testini geçmiş bulunuyor.
Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı. Golf A4 ve POLO A03 dahil olmak üzere bütün yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır. Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle alüminyumdan imal edilmektedir. Fakat bu parçaların şekilleri daha karmaşık hale geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye başladı. Ford Mondeo'nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giriş manifoldu cam elyaf katkılı Paydan imal edilmiştir. Chevrolet giriş manifoldlarında cam elyaf katkılı naylon kullanmaktadır. Plastik
ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıştır. Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır. Aksi takdirde oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır. Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar alüminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artırabilmektedir. Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalıtılmasına yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gerçekleşmektedir. Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır. Şekil 2.4. ‘de kompozit malzemeden üretilen çeşitli otomobil parçaları verilmiştir.
Şekil 2.4. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Otomobil Parçaları: soldan sağa manifold, fren diski, şaft [27,28]
Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak düşünmeye başlamışlardır. GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn kompozitini
kullanmaktadır.
Boralyn'in
katılığının
özgül ağırlığa
oranı,
çelik
ve
alüminyumunkinin 1,5 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır. [13]
Şehircilik: Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında (heykel, banklar, elektrik direkleri v.s.) kullanılmaktadır. Üreticinin çok sayıda standart ürünü kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkânları, kullanıcıya da yüksek yalıtım kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım imkânları sağlamaktadır. Şekil 2.5.’de bazı şehircilik uygulamaları görülmektedir. [23]
Şekil 2.5. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Şehircilik Uygulamaları; Mazgal, Bank ve Çöp Kutusu [29] Ev Aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları, saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde ve dekoratif ev eşyalarında kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde komple ve karışık parça üretimi, montaj kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır.
İş Makineleri: İş makinelerinin kapakları ve çalışma kabinleri yapımında da kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde üretimde kullanılan parça sayısı azaltılabilmekte, tek parça üretim mümkün olmaktadır. Ayrıca elektrik yalıtım malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır.
İnşaat Sektörü: Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Tasarım esnek ve kolay olmakta, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlamaktadır. İzolasyon problemi çözülmekte ve bakım giderleri azalmaktadır.
Tarım Sektörü: Seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımında kompozitler özel bir öneme sahiptirler. Kompozit malzemelerden yapılan bu örnekler istenirse ışık geçirgenliği, tabiat şartlarına ve korozyona dayanıklılık, düşük yatırım ve kolay montaj gibi avantajlar sağlamaktadır. Denizcilik Sektörü: Denizcilik sanayinde de kompozit malzeme kullanımı gitgide artmaktadır. Özellikle hafif ve korozyon direncinin istendiği bu sektör için kompozit malzemeler son derece uygundur. İnfüzyon tekniği ile üretilen paneller, bal peteği kompozitleri bu sektörde en çok kullanılan türlerdir. Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile
kaplanması, Yat, tekne arkası platformlar, Kevlar+Epoksi yelken direği, Yelkenli/motorlu tekneler, can kurtarma filikaları, şamandıralar, sallar, kanolar, deniz motosikleti, sörf tahtası, şilep ve yolcu gemileri üst yapıları, dubalar-iskeleler, iç donanım gibi örnekler verilebilir. [2]
Spor Araçları: Kompozit malzemelerin popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve gereçleri her geçen gün daha da öne çıkmaktadır. Özellikle ağırlığın azalması, dolayısıyla hareket kabiliyetinin artması ve dayanıklılığın artmasına neden olan cam ve karbon elyafı takviyeli kompozitler kullanılmaktadır. Sırıkla atlama sporunda kompozit malzemelerin kullanımının başlaması ile derecelerin gelişimi
oldukça
ilginçtir.
20.
yüzyılın
başlarında
sporcular
bambu
kamışlardan
yararlanıyorlardı. Dolayısıyla o zamanki performansın bugünkü dünya rekoru olan 6.14 metrenin altında olması son derece normal bir sonuçtur. Ancak sırıklar her geçen gün biraz daha geliştiriliyor. Özellikle 1950’li yıllarda metal sırıklar, hemen ardından cam-elyafı kompozit sırıklar büyük fark yarattı. Sonuçta sırıkla atlama rekorları 1912’den bu yana %53 oranında yükseldi. Bunu yüksek atlama ile karşılaştırdığımızda, bugünkü rekor 1912’den ancak %23 oranında daha fazladır, aynı şekilde uzun atlamada bu fark %18 dolayındadır. [20] Şekil 2.6.da karbon fiber takviyeli epoksiden imal edilmiş bir atlama sırığının makro yapısı görülebilmektedir.
Şekil 2.6. Kompozit Malzemeden Üretilmiş Bir Atlama Sırığının Bileşenleri [20]
3.KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI Kompozit malzemeleri iki açıdan sınıflandırabiliriz. Birincisi yapı bileşenlerinin şekil ve geometrisine göre, ikincisi ise matris malzemesine göredir. 3.1. Yapı ve Geometrik Özelliklere Göre Sınıflandırma Yapının şekil ve geometrisine göre kompozit malzemeler Şekil 3.1’de görülebileceği gibi ; parçacık takviyeli, fiber takviyeli, tabakalı ve hibrid kompozitler olarak sınıflandırılabilir.
Şekil 3.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması [16] a. Elyaflı kompozitler b. Parçacıklı kompozitler c. Tabakalı kompozitler d. Karma kompozitler
3.1.1. Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. İzotrop yapılardır. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar, ısı ve elektrik iletkenliği sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektrik parçaları, muhafazalar vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar. Matris malzemesi, içinde rastgele dağılmış çok değişik şekil ve büyüklükte olan dolgu parçacıkları içerebilmektedir. [25]
3.1.2. Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler Fiber takviyesi işlemi, malzeme mekanik özelliklerini yükseltmek için malzeme yapısı içine
çok sert ve ince fazların serpilmesi yöntemidir. Bu tür kompozitler ana fazdan beklenen bazı özelliklerin elde edilmesi ya da geliştirilmesi amacıyla üretilirler. Ana faz (matris), ikincil fazlarla (fiber) belirli doğrultularda takviyelendirilir. Böylece mukavemet, korozyon ve aşınma direnci, ısı yalıtımı, rijitlik ve ağırlık gibi özelliklerde daha verimli hale getirilir. [23] Fiber takviyeli plastikler, "FRP" veya "Yapı Kompozitleri" olarak adlandırılan bu kompozitler polimer matris malzemenin fiberle takviye edilmesinden elde edilirler. FRP ürünleri, yapısal uygulamalarda iyi bir konuma sahiptir. Karbon fiber ve termoset polimerler gibi yüksek mukavemet ve rijitliğe sahip polimerik matristen yapılan ileri kompozit sistemler yıllardır etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Fakat daha sonra termoplastikler, Torlon, PEEK ve Ryton gibi malzemelerdeki yenilik ve gelişme yapısal kompozitlerde, takviyeli plastik malzemelerin ileri uygulamalarına yeni bir boyut kazandırdı. Bu yeni nesil mühendislik malzemeleri, fiber takviyeli polimer matris termoplastik kompozitler, klasik takviyeli termosetlere göre yüksek bir üstünlük ve gelişmişliğe sahiptirler. [17]
Fiber takviyeli kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler; fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber matris ara yüzey özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hegzagonal, poligonal ve içi boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitleri bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlüğü sağlar. Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği süreksizlere göre çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi yönlenme göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar vermektedir. [12]
3.1.3. Tabakalı Kompozit Malzemeler Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf takviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler.[16] Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik
kombinasyonlarla tabakalaşmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur. [12] Günümüzde
tabakalı
kompozit
malzemelerin
yüksek
dayanım/ağırlık
oranı
ve
direngenlik/ağırlık oranına sahip olmaları sebebiyle; uzay yapılarında, ulaşım araçlarında, elektrik, kimya, konstrüksiyon ve gıda endüstrisinde kullanım alanları giderek artmaktadır. [17] Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler. [16] Sandviç yapıların en yaygın kullanımlarından biri bal peteği (honeycomb) kompozitleridir. Kompozit imalatında kullanılan petekli yapı, çok ince tabakaların şekillendirilmesi sonucu elde edilen hücrelerin birleştirilmesi ile oluşturulur. Bu tür yapılar bal arılarının doğal olarak yaptıkları bal petekleri ile birebir benzerlik göstermektedir. Farklı malzemelerden yapılabilirler. Bunlara birkaç örnek verebiliriz; Cam fiber, karbon fiber, alüminyum, titanyum, aramid, grafit epoksi gibi. [4] Petekli kompozit yapılar özellikle çarpma sonucu ortaya çıkan enerjinin absorbe edildiği yüksek mekanik dayanım gerektiren yapılarda kullanılır. Oldukça hafif sistemler elde etmek için, sandviç yapıların iç ve dış tabakaları arasına bu petekli yapılar yerleştirilir. Kompozit imalatında kullanılan petekli yapı, çok ince tabakaların şekillendirilmesi sonucu elde edilen hücrelerin birleştirilmesi ile oluşturulur. Petekli kompozit yapılar yaklaşık olarak 1940 yılından sonra havacılık sektöründe, uçakların gövde panellerinde kullanılmaya başlanılmıştır. Günümüzde kullanılan petekli yapıların büyük bir çoğunluğu bir yapıştırıcı sayesinde hücrelerin birbirleri ile yapıştırılması sonucu oluşturulurlar. Bir sandviç panel, petekli yapının alt ve üst yüzeylerin yapıştırıcı kullanılarak yüzey örtüleri ile yapıştırılması sonucu elde edilir. Şekil 3.2.’de bir sandviç bal peteği paneli oluşturan bileşenler görülebilmektedir.
Şekil 3.2. Bir bal peteği kompozitinin yapısını oluşturan elemanlar [4]
Çelik, titanyum ve nikel alaşımlı metal hücre yapılı petekli yapılar yapıştırıcı yerine daha çok kaynak ve lehimleme ile birleştirilirler. Bu tür hücreler öncelikle yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır. Yüksek rijitlik ve dayanım/ağırlık oranına sahip olan sandviç yapılar son derece hafif yapılardır. Petek yapılı kompozitler, diğer sandviç konstrüksiyon ara malzemelerine oranla daha pahalıdır ve sandviç yapı haline dönüştürülmesi daha özel işçilik gerektirmektedir. Genellikle havacılık ve uzay sektöründe yüksek mekanik dayanım sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. Petek yapılar mükemmel bir titreşim özelliğine sahiptirler. Yalıtım özellikleri de ( ses ve ısı ) oldukça iyidir. Denizcilik sektöründe, tekne imalatı sırasında sandviç tekniği kullanılarak, teknenin mekanik dayanımı artırılmaktadır. Havacılık ve uzay sanayine yönelik uygulamalarda ise, hafiflik ve rijitlik özellikleri önem taşımakta ve genellikle uçağın taban kaplamaları, kanat ve kuyruk parçaları, helikopter pervanesi gibi parçalar sandviç yapı tekniği ile üretilmektedir. Son yıllarda birçok binek ve spor otomobillerin tavan, direk ve gövdesinin bir çok kısımlarında, spor aletlerinde (yarış bisikleti kaburgası) ve rüzgâr türbini pervanesi gibi bir çok alet ve makine imalatında petekli yapılar yaygın olarak kullanılmaktadır. Aşırı uzatılmış, altıgen ve eğip bükülebilir yapı (flex-core) olmak üzere üç temel hücre biçimi vardır. Bu üç hücre tipi dışında pek yaygın olmayan kare ve takviyeli çeşitleri de vardır.
Şekil 3.3. Bal Peteği Kompozit Hücre Tipleri [4]
3.1.4 Karma (Hibrid) Kompozit Malzemeler Aynı kompozit yapıda iki veya daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan, yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine uygun bir alandır. Örneğin, Kevlar ucuz ve tok bir elyaftır. Ancak basma mukavemeti düşüktür. Grafit ise düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyaftır. Bu iki elyafın kompozit yapısında bir arada bulunması ile elde edilen hibrid kompozitin tokluğu grafit kompozitten daha iyi aynı zamanda maliyeti daha düşük ve basma mukavemeti de Kevlar elyaflı kompozitten daha yüksek olmaktadır. Farklı tiplerdeki hibrid kompozitler aşağıdaki gibi gruplandırılabilir;
1- Matris içinde iki ya da daha fazla tabaka içerirler. Her tabaka belirli bir yöndeki takviyeleri içerir ve her bir tabakada belirli bir tip elyaf kullanılmıştır. Tabakalar amaca göre istenilen şekilde yerleştirilirler. 2- İki ya da daha fazla elyaf karışım halinde aynı tabakada yer alır ve tabakalar istenilen şekilde birleştirilerek hibrid kompozit elde edilir. 3- Reçine matrisli tabakalar ve metal matrisli tabakalar gibi farklı kompozit yapılan içeren süper hibridler elde edilebilir. Süper hibridlerde tabakalar bir yapışkan malzeme ile birleştirilirler.
3.2. Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma Matris malzemesine göre kompozit malzemeler en genel biçimde polimer matrisli, metal matrisli ve seramik matrisli olmak üzere üç çeşittir. 3.2.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemeler Metal matrisli kompozitler, çeşitli metal ve alaşımlarının, takviye malzemeleri ile birleştirilmesi sonucu oluşmaktadır. Metal matrisli kompozit malzemeler tek bileşenli alaşımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak üzere, bir metal matris içinde sürekli veya kısa fiber, whisker veya parçacık şeklinde takviye fazı içerir Metal matrisli kompozit malzemelerin üstünlükleri;
Yüksek elastiklik modülüne sahiptirler.
Yüksek mukavemet gösterir. Metallerin süneklik ve tokluk; seramiklerin yüksek mukavemet ve aşınma direnci bu kompozitlerde bir araya gelebilir.
Düşük yoğunluğa sahiptirler. Sıcaklık değişiklikleri ve termal şoka karşı düşük hassasiyet gösterirler. Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirler.
Tekrar üretilebilir mikro yapı ve özelliklere sahiptirler.
Kaynak veya diğer yöntemlerle kolayca birleştirilebilirler.
Bu özelliklerden dolayı metal matrisli kompozit malzemeler teknolojik çalışmalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Ancak bunun yanında çeşitli dezavantajlar da bulunmaktadır;
Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim prosesleri (döküm yöntemi hariç)
Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması Yüksek maliyetli üretim sistemi ve teçhizat
Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle firmaların ve üreticilerin deneyimsiz oluşu Özellikle döküm yönetimi ile üretilen partikül takviyeli MMK malzemeler, sürtünme ve aşınma dayanımının istendiği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel uygulama alanına sahiplerdir. Örneğin, Al- Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek aşınma dayanımı sağlamaları ve yakıt tüketimini azaltmalarından dolayı ön plana çıkmaktadırlar. Bu tür kompozitlerin diğer kullanım şekilleri yatak malzemesi, elektrik kontak malzemesi ve silindir gömleği olabilmektedir. [8]
3.2.1.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Matris Malzemeleri Metal matrisli kompozitlerde matris malzemesi olarak hafif metaller ve alaşımlar tercih edilmektedir. Matris malzemesi olarak genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu, Co ve Zn gibi metaller ve alaşımları kullanılır. Fakat bunlardan sadece Al, Ti ve Mg alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır . Yüksek performanslı kompozit malzeme üretimi için matris malzemesi, takviye fiberleri veya partikülleri iyi ıslatabilmeli, iyi bir ara yüzey bağı oluşturmalı, mümkün olan en düşük basınç ve sıcaklıkta hızlı şekilde katılaşma yapabilmelidir. Ayrıca üretim esnasında veya bundan sonraki işlemler esnasında, matris ve takviye elemanı arasında diğer kimyasal etkileşimler olmamalı ve matris kararlı kalmalıdır. [8]
3.2.1.1.1 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeler Metal matrisli kompozitlerde en çok kullanılan matris malzemesi alüminyum ve alaşımlarıdır. Bu alaşımların tercih edilmesinin nedeni düşük yoğunluk, düşük ergime sıcaklığına sahip olmaları ve birçok seramik takviye elemanını kolay ıslatabilmeleridir. Alüminyum saf olarak kullanılabildiği gibi alaşım olarak da kullanılabilmektedir. Yüksek aşınma dayanımı ve düşük sürtünme değerleri için Al-Si alaşımları, düşük yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için AlMg ve Al-Cu alaşımları matris alaşımı olarak kullanılabilmektedir. Saf alüminyumun oksijene ilgisinden dolayı döküm kabiliyetinin kötü oluşu ve düşük mekanik özellikler göstermesi gibi istenmeyen
özellikleri
vardır.
Alaşımlama
yapılarak
bu
özelliklerde
gelişme
sağlanabilmektedir.
Alüminyum matrisli kompozit malzemeler diğerlerine göre; yüksek mukavemet, iyileştirilmiş rijitlik, daha düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık özellikleri, kontrollü ısıl genleşme katsayısı elektriksel özellikleri, iyileştirilmiş aşınma ve abraziv özellikleri, özellikle kütle kontrolü ve iyileştirilmiş sönümleme kapasite özellikleri açısından avantajlara sahiptir. Belirtilen avantajları daha iyi kullanabilmek için değerlendirme yapılabilir. Örneğin saf alüminyum, hacimsel olarak %60 a kadar fiber takviyesi ile elastik modülü 70 GPa dan 240 GPa kadar artırılabilir. Diğer taraftan saf alüminyum içine hacimsel olarak %60 alümine fiber takviyesi malzemenin genleşme katsayısını 24 ppm/°C’ dan 7 ppm/°C’ a düşürür. Benzer şekilde Al-
%9Si-%20 SiC kompozitin aşınma direnci gri dökme demirin özelliliğinden daha iyi olabilmektedir. Bütün bu örnekler göstermektedir ki alüminyum/alüminyum alaşımı uygun takviye fazları ile desteklendiğinde özellikleri iki veya üç kata kadar iyileştirilmektedir. [7] Alüminyum matrisli kompozitlerin son zamanlarda yaygın olarak kullanıldığı alanlardan biri de fren sistemleridir. Şekil 3,3’de çeşitli alüminyum esaslı kompozit fren elemanları görülmektedir.
Şekil 3.3 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeden Üretilmiş Fren Elemanları [7]
3.2.1.1.2. Titanyum Matrisli Kompozit Malzemeler Titanyum, güç ve dayanım açısından çelikten daha sağlam, ağırlık açısından alüminyum ile kıyaslanabilecek kadar hafif, bilinen bütün metaller arasında en yüksek korozyon dayanımına sahip, neredeyse bütün kimyasal etkilere karşı dirençli bir metaldir.
Titanyum kompozitler; ısıl mukavemetleri ve hafifliklerinin yanı sıra korozyona karşı dayanaklıklarıyla da bilinmektedirler. Bu nedenden dolayı, savunma sanayisinde ateşli silahların
yapımında,
organik
sıvılara
dayanıklılığı
nedeniyle
tıpta
kemiklerin
birleştirilmesinde kullanılmakta ve ayrıca endüstride kullanılan birçok malzemede önemli bir yer tutmaktadır.
Titanyum mükemmel mukavemet/ağırlık oranına sahip olduğu için çok tercih edilir fakat üretim maliyetinin yüksek olması titanyumun dezavantajıdır. Daha iyi aşınma direnci, rijitlik
ve ısı direnci istendiğinde titanyumdan toz metalürjisi sayesinde metal matris kompozit üretilir ve bu özellikleri iyileştirilmiş olur.
Titanyum mükemmel özelliklere sahiptir fakat aşınma direnci ve sürtünmeye dayanımı az olduğundan tribolojik uygulamalarda tercih edilmez. Ancak metal matris kompoziti gibi yöntemlerle
bu
özellikleri
iyileştirilip
otomotiv,
sağlık
ve
uzay
araçlarında
kullanılabilmektedir.
3.2.1.1.3. Magnezyum Matrisli Kompozit Malzemeler Magnezyumun atom numarası 12, yoğunluğu 1,74 gr/cm3 ve rengi gümüş rengi olan bir metaldir. Oldukça hafif bir metal olan magnezyum, kullanılan en hafif metallerden biridir. Magnezyumun özellikleri arasında; düşük yoğunluk, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci, yüksek sıcaklıklarda bile dayanım, iyi sürünme direnci, düşük süneklik, yüksek kırılganlık bulunmaktadır. Magnezyum matris kompozitler yarış arabalarında, fren sistemlerinde, jantlarda, vites kutularında, kompresörlerde, motor bloklarında, uzay araçlarında kullanılmaktadır. Ancak magnezyum alaşımları; oksijene karşı ilgisinin fazla olması, düşük elastik modülü ve yorulma direncine sahip olması, yüksek sıcaklıkta sürünme dayanımı değerinin düşük olması vb. nedenlerle daha az tercih edilirler. [8]
3.2.1.2. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri Metal matrisli kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye malzemeleri bor,alümina ve silisyum karbür elyaflardır. 3.2.1.2.1. Bor Elyaflar Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor-Tungsten elyaflar, sıcak tungsten flamanın hidrojen ve bor triklorür ( BCI3 ) gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece tungsten flamanın dışında bir bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda üretilebilirler (0.05 mm- 0.2 mm arasında). Tungsten çekirdek ise daima 0.01 mm çapında
üretilir.
Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler Çekme mukavemetleri 27_58 MPa ile 3447 MPa'dır. Elastik modülü ise 400 GPa'dır. Bu değer S camının elastik modülünden 5 kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar, uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak mukavemetlerinin çok yüksek olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır. Bor elyafların silisyum karbür ( SiC ) veya bor karbür ( B4C ) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde arttırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıktan 2040 °C civarındadır.
3.2.1.2.2. Silisyum Karbür Elyaflar Bor gibi silisyum karbürün tungsten çekirdek üzerine kaplanması ile elde edilir. 0.1 mm ile 0.14 mm çaplarında üretilirler. Yüksek sıcaklıklardaki özellikleri bor elyaflardan daha iyidir. Silisyum karbür elyaf 1370 °C de mukavemetinin sadece % 30'unu kaybeder. Bor elyaf için bu sıcaklık 640 °C 'dır. Bu elyaflar genellikler titanyum matrisle kullanılırlar. Jet motor parçalarında titanyum, alüminyum ve vanadyum alaşımlı matris ile kullanılırlar. Ancak silisyum karbür elyaflar, bor elyaflara göre daha yüksek yoğunluğa sahiptirler. Silisyum karbürün karbon çekirdek üzerine kaplanması ile üretilen elyafların yoğunluğu düşüktür.
SiC malzemede kovalent bağlar mevcuttur. Bu özellik, SiC fibere yüksek elastiklik modülü değeri vermektedir. SiC’ün en önemli avantajı, maruz kaldığı yüksek sıcaklık şartları altında özelliklerini muhafaza edebilmesidir. Diğer bir üstünlüğü de bor fiberden daha ekonomik olmasıdır. Ayrıca SiC fiberlerin termal genleşme katsayısı da alümina ile kıyaslandığında daha düşüktür. Partikül ve whisker tipinde SiC takviyeleri ile üretilen metal matrisli kompozit malzemelere, ekstrüzyon, haddeleme gibi plastik şekil verme işlemleri yapılabilmesi de önemli bir avantaj teşkil eder.
3.2.1.2.3 Alümina Elyaflar Alümina alüminyum oksittir (AI2O3). Elyaf formundaki alümina, 0.02 mm çapındaki alümina flamanın silisyum dioksit (SİO2) kaplanması ile elde edilir. Alümina elyafların çekme mukavemetleri yeterince yüksek değildir. Ancak basma mukavemetleri yüksektir.
Örneğin, alümina/epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri 2275 ile 2413 MPa'dır. Ayrıca yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak motorlarında kullanılmaktadırlar.
Ergime noktası 2000 ± 30 °C olan alüminyum oksit düşük sıcaklıklarda kimyasal maddelere ve mekanik yüklere karşı en dayanıklı malzemelerden birisidir. 1700-1800 °C gibi yüksek sıcaklıklarda, flor gazı dışında bütün gazlara karşı direnç gösterir. Alümina, oksitleyici ve indirgeyici atmosferde 1900°C’ ye kadar kullanılabilir. Tablo 3.1. Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Çeşitli Takviye Türlerinin Karşılaştırılması [1] Takviye
Çap
Dayanım
Modül
Türü
(mikron)
(MPa)
(GPa)
Kullanım Sıcaklığı (°C)
Bor
150-200
3450
400
540
Karbon
7
2400-4800
230-395
1650
100-150
4140
425
930
1380
380
1650
(PAN) SiC
Alümina 20 (FP)
3.2.1.3. Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri Üretim yönteminin seçiminde, üretilecek mamul veya yarı mamulün önceden belirlenen fiziksel ve mekanik özelikleri değerlendirilip, şu parametreler dikkate alınarak yöntem belirlemesi yapılır:
•
Çalışma sıcaklığı aralığı
•
Takviye malzemesi şekli
•
Matris malzemesi ile takviye malzemesinin uyumu
•
Matris ve takviye malzemelerinin ek işlem gereksinimi
•
Matris malzemesi ile takviye malzemesi arasında oluşabilecek reaksiyonlar
•
Elde edilecek üründen istenen boyut tamlığı
•
Takviyenin matris malzemesi içerisinde dağılımının homojen olması
•
Matris-takviye ara yüzey bağının tam olarak sağlanabilmesi. [8]
Metal matrisli kompozit malzeme üretiminde; sıvı metal emdirmesi (infiltrasyon), sıkıştırmalı veya sıvı dövme döküm tekniği, basınçlı infiltrasyon, sıvı metal karıştırması, hızlı katılaştırma, yarı katı karıştırma, plazma püskürtme, toz metalürjisi tekniği, difüzyon bağlama ve sıcak presleme gibi katı ve sıvı faz üretim teknikleri uygulanmaktadır.
3.2.1.4. Metal Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları Metal matrisli kompozit malzemeler gerek işlem zorluğu gerekse maliyet dezavantajlarından ötürü pratik uygulamalardan ziyade, havacılık ve uzay sektörü, savunma sanayi, motor sporları, otomotiv biyoteknoloji ve tıp gibi maliyetin önemli olmadığı teknolojik alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Aşağıda çeşitli kullanım örnekleri verilmektedir:
Havacılık ve Uzay Sektörü: Uzay yapıları ve antenler: B/Al, B/Mg, Gr/Mg Uçak gövde ve iç donanım parçaları: B/Al, SiC/Al, Gr/Al Helikopter parçaları: B/Al, SiC/Al, Gr/Al, Gr/Mg, Al2O3/Mg, Al2O3/Al
Otomotiv: Motor blokları SiC/Al Pistonlar SiC/Al Biyeller SiC/Al Akü plakaları Gr/Pb
Tıp: Protezler B/Al, SiC/Al Tekerlekli sandalyeler B/Al, SiC/Al
3.2.2. Seramik Matrisli Kompozit Malzemeler Seramik kelimesi yunanca pişirilmiş eşya anlamına gelen "keramos" kelimesinden gelmektedir. Seramik üretimi eski çağlardan beri gerçekleşmekte olup arkeolojik buluntular
seramik üretiminin milattan önce 6500 yıllarına dayandığını göstermektedir. Seramik malzemeler farklı bileşimde kristal ve cam yapılı fazlan içermekte ve genellikle porozite (gözenek ) ihtiva etmektedir. Bu farklı yapı bileşenlerinin miktarı ve dağılımları seramik malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Örneğin yapıda mevcut fazların yerleşim düzenini değiştirmek, yalıtkan olan seramik malzemelerin geliştirilmesi konusunda ana fikir, mikro yapı üzerine yoğunlaşmıştır. [12] Seramik endüstrisinin en önemli özelliği bir çok diğer endüstrilerin temel taşlarından biri olmasıdır. Örneğin refrakterler, metalürji endüstrisinin, cam, inşaat, elektronik ve uranyum oksit yakıtlar, nükleer güç santrallerinin en önemli bileşenlerinden biridir. Çeşitli özel seramikler, bilgisayar ve diğer birçok elektronik devrelerin yapı bileşenleridir. Günümüzde seramikler konusunda araştırma ve geliştirme konularına büyük önem verilmektedir. Seramik malzemelere ilginin artmasının başlıca nedenleri şöyle sıralanabilir: Yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, kimyasal kararlılığın yüksek olması, çok sert olmaları, metallerden hafif olmaları ( % 40 mertebesine varan ), hammadde olarak bol miktarda bulunması ve genellikle metallere kıyasla ucuz olması, pahalı ve stratejik malzemelere ihtiyaç göstermemesi, erozyon ve aşınmaya karşı dayanıklı olması, oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması, sürtünme katsayısının düşük olması, basma dayanımının yüksek olması, düşük yoğunluk ve yüksek elastisite modülüne sahip olmaları.
Bütün bu özelliklere rağmen seramik malzemelerin en önemli özelliği gevrek karakterde olmasıdır. Ayrıca çok düşük kopma uzaması ve kısıtlı kayma sistemlerine sahiptirler. Geleneksel seramiklerin yerini yeni seramikler almaktadır. Bu seramikler günümüzde "ince seramikler veya ileri teknoloji seramikleri" olarak adlandırılmaktadır. Bu terimlere ilave olarak son senelerde gelişen seramiklere ileri seramikler, yüksek performanslı seramikler, ileri teknoloji seramikleri, mühendislik seramikleri gibi terimler kullanılmaktadır. İleri teknoloji seramiklerinin geleneksel seramiklerden farkları başlıca hammadde, üretim yöntemleri ve mikroyapı açısından bariz farklılıklar göstermektedir. Geleneksel seramikler doğal hammaddelerden üretilirken, ince seramiklerin hammaddesi sentezleme yöntemiyle yapay olarak hazırlanmaktadır. Bunun nedeni, yapay hammaddelerin istenmeyen maddelerden arındırılmış olarak çok saf halde ve istenilen fiziksel özelliklerde üretilebilmeleridir. Yapay hammadde üretiminde de çoğu kez ileri teknoloji yöntemleri kullanılmaktadır. İnce seramikleri geleneksel seramiklerden ayıran en önemli diğer bir özellik de, ince seramiklerin pudra halinde çok ince tozlardan üretilmeleridir. Öyle ki, günümüzde üretilen ince
seramiklerde 1 mikron un altında tozlar kullanılmakta ve böylece tamamen yoğun seramikler üretilmektedir. Dolayısıyla ince seramiklerin mekanik özellikleri geleneksel seramiklerden çok üstündür.
Seramik matrisli kompozitlerin mekanik özellikleri itibarı ile yüksek mukavemetli, aşınma dirençli, düşük termal genleşme katsayılı, kendi kendine yağlayabilen malzemeler olması onların özellikle kesici takımlar, aşındırıcılar, türbin kanatları, katı yağlayıcılar, hassas cihazların parçaları şeklinde kullanılmalarını sağlar. Diğer yandan termal özelliklerinin yüksek olması ısı iletimi, ısı toplama, refrakter özellikleri sayesinde, elektrot malzemesi, yüksek sıcaklık fırın astarı, elektronik parçalar için ısı yutucular şeklinde kullanılmalarını sağlamaktadır. Bunun yanı sıra nükleer, optik, manyetik, elektrik, biyolojik özellikleri de söz konusudur ve bu sayede çok özellikli alanlarda kullanılmaktadırlar.
Seramiklerin üstün sürünme özellikleri bu malzemelerin dizel ve otomobil parçaları, türbin kanatları ve rotor olarak kullanılma potansiyelini gündeme getirmiştir. Bu durum gerçekleşirse dizel motorun çalışına sıcaklığı 70°C den 1100 °C ye çıkabilecek ve bu da motorun verimini % 50 oranında arttıracaktır. Diğer taraftan motor parçalarına uygulanan kısmen stabilize edilmiş zirkonya gibi oksit kaplamaların termal genleşme katsayısının dökme demire çok yakın olduğu saptanmıştır. Günümüzde birçok dizel motoru parçalarında (yanma odası cidarı, silindir gömlekleri ve başlığı, egzoz bölgesi kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinde kanatlar tamamen soğutma sistemi gerektirmeyen Si3N4 seramikten yapılmakta ve bu türbinin günümüzde kullanılan Ni esaslı süper alaşımlara kıyasla daha verimli çalışması mümkün olmaktadır. Seramik yataklar yağlamaya gerek kalmadan yüksek devirde çalışabilmektedir. Silisyum nitrürden yapılmış türbin tekerleği ve turbo charger kaplaması halen deneme aşamasındadır. “Seramik turbo charger”ler halen kullanılmakta olan konvansiyonel nikel alaşımlardan % 40 daha hafiftir. Bunun avantajı motorun dönmesi için daha az. egzoz gazı alması ve dolayısıyla motorun kontağı çalışır çalışmaz turbo charger harekete derhal geçmesi ve arabanın anında ivme kazanmasını sağlamasıdır. 21. Yüzyıla kadar, jet motorlarındaki metalik parçalar tamamen seramik kompozitlerle değişeceği tahmin edilmektedir. Böylece jet motorlarının çalışma sıcaklığı 1500 °C ye ulaşabilecektir. İleri seramiklerin sertlikleri yüksek olduğundan aşınmaya dayanıklı ideal malzemelerdir. Bu özelliklerinden dolayı, ileri seramikler makine takımlarını kaplamada, tamamen seramik makine takımlarında, tekstil makinelerinde iplik geçen makaralarda, melal şekillendirme
kalıplarında ve daha pek çok benzeri yerlerde kullanılmaktadır. Halen makine takımlarının % 2-3 ü tamamen seramiktir. Kesici takımlardan aranan özellikler: Aşınmaya karşı yüksek direnç, sıcaklıkta sertliği koruyabilme ve tokluğun yüksek olmasıdır. Bu bağlamda seramik matrisli kompozitlerin kesici takını olarak kullanılmaları için pek çok üstün özellikler söz konusu olmaktadır. Tablo 3.2.’de çeşitli seramik malzemelerin mekanik özellikleri verilmiştir.
Tablo 3.2. Çeşitli Seramiklerin Mekanik Özellikleri [21]
3.2.2.1. Seramik Matrisli Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Seramik matrisli kompozit malzemeleri cam-seramik ve seramik-metal sistemleri olarak ikiye ayırmamız mümkündür. 3.2.2.1.1. Cam - Seramik Sistemleri Cam seramik malzemeler özgül ağırlığının düşük olması, yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, ısıl şoka, oksidasyona ve korozyona karşı dirençli olmaları nedeniyle kompozit malzemelerde matris olarak kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk ve yüksek sıcaklık performansına sahip malzemelerin en önemli uygulama alanlarından birisi jet motorlarında kullanılan türbin kanatçıklarıdır. Günümüzde bu tür parçaların üretiminde kullanılan metal ve alaşımlarının ergime dereceleri, kullanılması düşünülen uygulamanın maruz kalacağı sıcaklıklardan 200ºC daha düşük olması cam seramik matrisli kompozitleri daha avantajlı hale getirmektedir. Bu tür uygulamalarda birçok malzeme üzerinde çalışmalar ve denemeler yapılmakta ve yıllardır kullanılmaktadır. [21]
3.2.2.1.2. Seramik – Metal Sistemleri Bu tür kompozitler, çok fazlı bir yapıya sahiptirler. Bir metal faz, bir seramik faz, bir gözenek fazı ve daha çok karmaşık formlarda seramik ve metalin ilave fazlarından meydana gelmiştir. Endüstride kullanılan ve elmas olarak adlandırılan kesme aletleri en iyi örneklerdir. Bir kobalt matris içine dağılmış tungsten karpit parçalarından oluşan bu kompozit malzeme büyük bir dayanım sağlamaktadır. [21]
Seramik matrisli kompozitlerin uçaklarda uygulamalarına örnek olarak; alçak basınç türbin'e (LPT, Low Pressure Turbine) ait sabit parçalarda (egzoz gömleği, flapler, v.b.) kullanılabilir. SNECMA M88 motorunda egzoz flapleri (Kapakları) seramik katmanlı kompozittir. Yüksek sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi motorları, sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım yerleridir. [8]
Seramik matrisli kompozitlerin kullanılmaya başladığı alanlardan biri de fren diskleridir (Şekil 3.4.). Bu disklerin üstünlükleri ise şöyle sıralanabilir: *Isı hassasiyetinin olmayışı yani mevsimlere göre kullanım performansının değişmiyor oluşu *Çok
daha
geniş
bantta
daha
yüksek
*Uzun *Maliyetinin
diğer
*Kopma *Fren
hassasiyeti
*Fren performansının yüksekliği
kaldırabilmesi
ömürlü kompozit
sürücüye
olması
uygulamalardan
geriliminin ve
torkları
verdiği
düşük
olması
yüksek algılamanın
daha
oluşu iyi
olması
Şekil 3.4 Bir Seramik Matrisli Kompozit Fren Diski [21]
3.2.3. Karbon-Karbon Kompozitler Karbon-karbon kompozitler (CC) polimer matrisli kompozitlerin grafit/epoksi ailesine benzer, genel bir türdür. Karbon - karbon kompozitler, karbon esaslı matris içersine karbon fiberlerinin yerleştirilmesi ile üretilmektedir. Böylece, refrakter özelliğinin yanı sıra, yüksek mukavemet ve tokluk bir arada sağlanmaktadır Bu malzemeler, tek yönlü fiber kullanılarak bir boyutludan n boyutluya kadar çok çeşitli formlarda yapılabilir. Bu özelliklerinden dolayı mekanik özellikleri kolayca istenen seviyelere uyarlanabilir.
Karbon malzemeler yüksek
dayanım ve sertliklerinin yanında yüksek sıcaklık ve kimyasal dayanım özellikleri de gösterirler. Bu malzemeler, sayılan üstün özelliklerine rağmen yine de oksitleyici bir ortamda kullanıldıklarında bir kaplama veya yüzey yalıtım malzemesi ile korunmalıdır. Karbonkarbon kompozitleri ile ilgili çalışmalar 1958 yılında başlandı ve araştırmalar Birleşik Devletler Hava Kuvvetleri uzay aracı programı “Dyna-Soar” ve NASA’nın ”Apollo” projelerinde geliştirilmeye devam etti. [11]
İki bileşeninin de aynı olmasına rağmen bu durum kompozit davranışını kolaylaştırmaz çünkü matris amorf karbondan grafite kadar değişim gösterebilmektedir. Bu nedenle, karbon karbon kompozitlerin özellikleri geniş bir aralıkta değişmektedir.
3.2.3.1 Mekanik Özellikler Karbon - karbon kompozitlerinin her iki bileşeni gevrek davranış gösterir ve uzamaları % 2'nin altındadır. % 2'nin üzerindeki değerler ancak fiber oryantasyonunun uygulanan gerilme yönünde olması ile elde edilir, Ticari olarak üretilen farklı karbon - karbon kompozitlerinin tipik mekanik özellikleri Tablo 3.1.'de verilmiştir. Tablo 3.3 Ticari Karbon-Karbon Kompozitlerin Tipik Mekanik Özellikleri [26]
3.2.3.2 Üretim Yöntemleri Karbon - karbon kompozitlerde, genellikle karbon fiberleri primer karbon bileşeni olarak kullanılır. Karbon fiberleri arasındaki boşluk, başlıca gaz veya sıvı haldeki karbon hammaddesi emdirilerek doldurulur. Bunlardan sıvı fazla doldurma tekniği daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Gaz fazı ile doldurma yöntemi, daha ziyade bir kaç cm kalınlı_a varan ince cidarlı parçalara uygulanmakta, buna mukabil kalın parçaların üretiminde sıvı faz ile doldurma tercih edilmektedir.
3.2.3.2.1 Gaz Fazı İle Doldurma Bu proseste, fiberlerin üzeri, kimyasal buhar çökelmesi (CVD) sonucu pirolitik karbonla kaplanır. CVD yöntemi, karbon fiberle dokunmuş malzemenin şeklini bozmadan uygulanabilir. CVD yönteminde, karbon fiberden dokunmuş ve şekillendirilmiş kumaş, 800 2000°C gibi yüksek sıcaklıkta hidrokarbon gazı (genellikle, metan, fakat propan ve benzen gibi gazlarda kullanıla bilinir) geçirilerek uygulanır. Gazın parçalanması sonucu oluşan karbon, malzemenin yüzeyine ve iç kısmına çökelir. Ayrışma sıcaklığına ve gazın girişine göre üç farklı CVD yöntemi mevcuttur. Bunlar; izotermal, termal gradyan ve basınç gradyanı yöntemleridir.
3.2.3.2.2. Sıvı Faz ile Doldurma Sıvı faz ile doldurma yönteminde kullanılacak hammaddenin, karbonizasyon esnasında ağırlık kaybının az olması ve yüksek karbon içermesi gerekir. Bu özelliklere sahip çeşitli organik malzeme mevcuttur. Mamafih, prosesin tümü ve istenen nihai özellikler göz önüne alındığında, kullanılabilecek sadece bir kaç malzeme mevcuttur. Hammaddenin seçiminde, viskozite, karbonizasyon sonucu içerdiği karbon miktarı, matris mikro yapısı ve matris kristal yapısı gibi özellikler dikkate alınmalıdır. Tüm bu karakteristikler prosesin, zaman - sıcaklık – basınç ilişkisine önemli ölçüde etki etmektedir. Pirolia olayından sonra % 40 mertebesinde karbon içeren çok az sayıda reçine mevcuttur. Bu durum, fenolik ve furan reçinelerinin seçimini sınırlar. Buna mukabil, poliaril keton, poliyimid ve polifenilen gibi bazı polimerler gelecek için ümit vaat etmektedir.
Sıvı faz yönteminde kullanılan diğer malzemeler kömür katranı veya petrol esaslı ziftlerdir.
Geleneksel kompozit üretiminde matris malzemesi olarak termoset reçinelerin kullanımı yaygındır. Genellikle, termoset reçineler, 250°C’ nin altında polimerize olurlar ve önemli miktarda 3-boyutta karşılıklı bağ oluştururlar. Reçine pirolize edildiğinde camsı, izotropik karbon oluşur ve 3000°C sıcaklıklara kadar grafitleşmez. Reçinenin genellikle ağırlığının % 50-60'_ı kadarı karbona dönüşür. Karbon miktarının düşük olması nihai karbon kompozitinin yoğunluğunu sınırlar. Fakat grafit olmayan matrisin istendiği pek çok uygulamalar da mevcuttur.
4. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER Plastik matrisli kompozit malzemeler, kompozit malzemeler içerisinde en yaygın olarak kullanılanlardır. Otomotivden havacılığa, inşaattan spor malzemelerine kadar çok geniş bir kullanım alanına sahiptirler. Genel olarak bir plastik matrisli kompozit malzeme polimer esaslı bir matris fazına çeşitli yöntemlerle ilave edilen takviye malzemelerinden oluşmaktadır. Polimerik matrisler olabildiğince hafif ve dayanıklı tasarımların istendiği durumlarda çokça kullanılmaktadır. Polimer matrislerin yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedenleri ucuz olmaları, tasarım serbestliği ve üretim kolaylığı gibi özellikleridir. Öte yandan düşük çalışma sıcaklığı, sürünme direnci ve modüle sahiptirler. Kovalent bağlı olduklarından elektrik iletkenlikleri yoktur. Plastik malzemelerin olumsuz özelliklerini en aza indirerek olumlu özelliklerinden daha geniş alanlarda faydalanmak amacıyla uygun özellikte kompozit malzemelerin üretilmesi için çalışmalar yapılmaktadır.
Kompozit malzeme tasarım sürecinin ilk basamakları matris malzemesi ve üretim yönteminin belirlenmesidir. Plastik matrisli kompozitlerde matris malzemesi seçilirken mekanik özellikler, korozyon geçirgenliği ve yanıcılık göz önünde tutulur. Kompozit malzemenin korozyon geçirgenliği özelliğinde belirleyici unsur matris malzemesidir. Ancak, örneğin karbon fiberler kimyasal olarak inert olmalarına karşın, matris malzemesinin niteliği bozulduğu takdirde, kompozit malzemenin bütünlüğü tehlikeye girer. Bu nedenle tasarım sürecinde uygun bir reçine seçimi yapılmalıdır. [6]
4.1. Polimer Matris Malzemeleri Kompozit malzemelerde matrisin üç ana görevi vardır; elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. Kompozit malzemelerde yükü taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Matris malzemesi, taşınacak yükü tüm elyaflara eşit olarak dağıtır. Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gerektirir. Polimer esaslı kompozit malzemelerde matris malzemesi termoset ve termoplastik olabilmektedir. Bu bölümde polimer esaslı matris malzemelerinin özellikleri işlenecek, daha sonra takviye malzemeleri ve üretim yöntemleri ele alınacak, ilave malzemelerin fiziksel ve mekanik
özelliklere yaptığı etkiler karşılaştırmalı olarak incelenecektir.
4.1.1. Termoset Matrisler Termoset matrisler geri döndürülemez bir kimyasal dönüşümle şekillendirilirler. Amorf ve çapraz bağlı yapılardır. Termosetler, düşük viskoziteye sahiptir. Bu özellikleri sayesinde çok iyi fiber takviyesini çok iyi emprenye ederler ve yüksek işlem hızlarında çalışmaya olanak sağlarlar. Düşük maliyetleri ve üretim kolaylıkları sayesinde en yaygın kullanılan matris sistemleri termoset reçinelerdir. Deniz araçlarının imalinde, otomotiv sanayinde, inşaat sektöründe, depo, tank, boru ve mobilya imalinde bu malzemeler ekonomik olduğundan dolayı ve aranan özellikleri taşıdıklarından dolayı büyük önem kazanmışlardır. En büyük dezavantajları ise geri dönüşümlerinin olmayışıdır.
Termoset malzemelerde raf ömrü; saf reçinenin bozulmadan saklanabileceği zamana verilen addır. Malzemenin mevcut raf ömrünü koruyabilmesi için soğutulmuş ortamda saklama önerilmektedir.[6] Termosetler, uzun bir zaman periyodu içinde kendi kendilerine jelleşmeye (gel) uğrarlar. Üretim esnasında jelleşmeyi geciktirmek için küçük oranlarda bazı inhibitörler de kullanılır. En çok kullanılan termoset malzemeler; polyesterler, vinil esterler, epoksiler ve Fenolik reçinelerdir. Bunun yanında silikon reçineler de kullanılmaktadır. [5]
4.1.1.1. Polyester Reçineler Polyester reçineler, sitren gibi reaktif bir monomerde çözülmeyen düşük viskoziteye sahip malzemelerdir. Isı ve tetikleyici ilavesiyle doymamış monomer ve doymamış polimer arasında oluşan çapraz bağlı bir reaksiyon ile düşük viskoziteli malzeme, 3 boyutlu bir termoset plastiğe dönüşür. Doymuş ve doymamış bileşenlerin oranı, çapraz bağların derecesini ve dolayısıyla malzeme rijitliğinin kontrolünü sağlar. Kullanılan monomer tipi de polyester reçinenin ısıl performansını önemli ölçüde etkiler. [6] Polyester reçineler UV ışınlarına iyi direnç gösterebilecek şekilde elde edilebilir ve birçok açık hava uygulamasında kullanılabilir. Ayrıca kimyasal direnç gerektiren uygulamalarda da kullanılabilmektedir. Koruyucu tanklar, borular, kanallar gibi korozyon direnci gerektiren ortamlarda polyester malzemelere sıkça rastlanır. Ayrıca polyesterler, düşük maliyet ve kolay imal edilebilirlikleri nedeniyle de tercih edilmektedirler. En önemli dezavantajı ise kompozit
uygulamalarında elyaf-matris bağının zayıf olmasıdır.
4.1.1.2. Vinil Ester Reçineler Vinil ester reçineler, polyesterlere benzemekle birlikte polyesterlere kıyasla daha yüksek mekanik özelliklere sahiptir. Elyaf-matris arasındaki bağ mukavemeti güçlendirilmiştir. 121 °C’ ın üzerinde çalışılabilen çok çeşitli vinil ester reçineleri bulunmaktadır. Asit çözeltilerine, alkalilere, çözücülere, perokside karşı kuvvetlidir. Brom ilave edilmiş çeşitleri ise yanmayı geciktirici özelliğe sahiptir. Maliyetleri de polyester ve epoksilere yakındır.
4.1.1.3. Epoksi Reçineler Epoksi reçineler çok amaçlılıkları, yüksek mekanik özellikleri ve yüksek korozyon dirençleri sebebi ile son derece geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Epoksilerin kendini çekme özelliği diğer malzemelerden daha düşüktür. ( % 1.2- % 4 hacimsel ) Bu durum, yapışkan epoksilerin yapışkan olarak kullanıldıklarında gösterdikleri yüksek bağ karakteristiklerini açıklamaktadır. Epoksiler diğer polimer matrislere kıyasla sudan ve ısıdan daha az etkilenirler. Epoksi reçineler 5 ila 150 °C arasında gerçekleştirilebilen kolay kür işlemleri sebebiyle de tercih edilmektedir. Epoksiler iki ya da daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar. Polifenol’ün epikloridin ile bazik şartlarda reaksiyonu sonucu elde edilirler. Viskoz ve açık renkli bir sıvı halindedirler. Epoksilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımları 150 200ºC’ a artırılabilir. Saydam ve yapışkan hal amorf polimerlerin karakteristiğidir. Tüm polimerler düşük sıcaklıklarda saydamlaşırlar ve yüksek sıcaklıklarda kauçuklaşırlar. Geçişin meydana geldiği sıcaklık aralığına “Camsı geçiş sıcaklığı ” adı verilir. Camsı geçiş sıcaklığı maksimum çalışabilme sıcaklığının bir ölçüsüdür. 100 ºC’ a arttırılabilir. 150-250 ºC arasında uygulanacak bir kür ile 150-250 ºC arasında maksimum çalışma sıcaklığı sağlanabilir. Kür işlemleri uygun katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir.
Epoksilerin en önemli kullanım alanlarından biri havacılık uygulamalarıdır. Epoksiler, uçaklarda kullanılan bal peteği sandviç yapılarda yapıştırıcı malzeme olarak, roket ve hava araçlarındaki tabakalı kompozit uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Plastik kompozit ve metal deniz araçlarının ve otomobillerin yapımında ve tamirinde de kullanım olanağı vardır.
Yol ve yapı uygulamalarında ziftleme ve yalıtım malzemesi olarak da (yüksek kimyasal direnç gerektiğinde) kullanılırlar. Epoksiler dökümde prototip uygulamalarında, basınçlı kalıplama işlemlerinde de kullanılabilirler. Bir diğer kullanım alanı ise elektriksel uygulamalarda mükemmel bir yalıtım malzemesi olarak kullanılır. Epoksilerin maliyeti reçinenin özelliğine bağlı olmakla birlikte genelde polyester ve vinil esterlerden biraz daha pahalıdır. En çok kullanılan termoset reçinelerin çeşitli özellikleri tablo 4.1.’de görülmektedir. Tablo 4.1.. Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri [8] Epoksi Özellikler
Oda Sıc.
Yük. Sıc.
Kürlenmiş
Kürlenmiş
Polyester Fenolik Gelişmiş
Özgül ağırlık(gr/cm3)
1,1-1,3
1,2-1,4
1,3
1,2
1,2-1,3
Elastik modül (GPa)
2-3
2,5-3,0
3,5
2-3
5-11
(MPa)
50-70
70-90
60
50-60
50-60
Kop. Uzaması (%)
2-6
2-5
2
2-3
1,2
Maks. İşlem sıc. (oC)
70-100
100-180
180
60-80
100-125
Çekme
Mukavemeti
4.1.1.4. Fenolik Reçineler Fenolik reçineler, diğer düşük maliyetli reçinelere kıyasla yüksek yanma direncine sahiptir. Buna ilaveten, sıcaklık değişimleri altında yüksek boyutsal kararlılık ve iyi yapıştırıcı özellikleri de vardır. Fenolik reçineler havacılık, yük taşıma araçları ve içyapı uygulamalarında kullanılır. Polyesterlerle rekabet edebilecek düşük maliyetlere sahiptir. En önemli dezavantajları ise diğer matris malzemelerine göre mekanik özelliklerinin düşük olmasıdır. Kür işleminin buharlaşma özelliği hava boşlukların oluşmasına ve yüzey kalitesinin düşmesine neden olur. Yaş halde oldukça zararlı bir malzemedir. [6]
4.1.1.5. Diğer Termoset Reçineler Yukarıda anlatılan termoset reçinelere ek olarak daha az kullanılan ama çeşitli spesifik
özelliklerinden dolayı bazı alanlarda kullanılan termoset reçineler bu bölümde verilecektir Bismaleimid (BMI); Uçak motorlarında ve yüksek ısıya maruz kalan parçalarda kullanılır. Son derece yüksek isi dayanımının yani sıra (yaşken 230°C, kuru halde 250°C) çok yüksek maliyeti vardır(80 $/kg)
Silikon; yüksek ateş dayanımı, yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme ve düşük maliyete sahiptir (30 $/kg.dan az). Fakat kür işlemi için yüksek ısı gereklidir.
Siyanat Ester; Esas olarak uçak endüstrisinde kullanılır. Mükemmel yalıtkanlık özelliğine sahiptir. Yaş durumda 200ºC’ ye kadar dayanımı vardır. [2]
Furan Reçineler; Reaksiyondan viskoz koyu kahverengi bir şurup elde edilir. Bu şurup ısı ve katalizör ile sertleştirilecek olursa çok yüksek kimyasal dirençli katı ve erimeyen ürünler üretilebilir. Oldukça zararlı bir bileşim olduğundan kullanılması pek tercih edilmez.
Termoset reçinelerin belli avantajlarının yanında olumsuz özellikleri de mevcuttur. Bu özellikler Tablo 4.2.’de karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
Tablo 4.2. Termoset Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları [5]
4.1.2. Termoplastik Matrisler Bir termoplastik polimer, işlem esnasında herhangi bir kimyasal değişime uğramaz. Bunun yerine polimer, işlem görmek için yumuşatılır, şekil verme işlemi tamamlandıktan sonra tekrar katılaşmaya bırakılır. Termoplastiklerin şekillendirme sıcaklıklarındaki yüksek viskoziteleri işlem yapmayı zorlaştırıcı bir etki yapmaktadır.[6]
Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak kullanılanları
sınırlıdır.
Termoplastikler
düşük sıcaklıklarda sert
halde
bulunurlar,
ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla birlikte üstün kırılma tokluğu, yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özellikleri, hammaddenin raf ömrünün uzun olması, geri dönüşüm kapasitesi ve sertleşme süreci için organik çözücülere ihtiyaç duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları bulunmaktadır. Bunun yanı sıra termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak yeniden şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde bekletilmeden depolanabilir. [9]
Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler. Yeni gelişmelerle termoplastiklerin sağladığı bu artı değerleri son dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de sağlamaktadırlar.[6]
PEEK, yüksek performans uygulamalarında en çok kullanılan termoplastik matris malzemelerinden biridir. Çok yüksek kırılma tokluğu ve darbe dayanımına sahiptir. PEEK, epoksilerin çoğuna kıyasla oda sıcaklığında sıvı geçirgenliği çok düşük (ağırlığının %5 i kadar) yarı kristal özellikte bir termoplastiktir. Polifilen sülfit (PPS) kimyasal direnci çok yüksek başka bir yarı kristal termoplastiktir. Polyetermid (PEI) ve Poliamidimid (PAI) matris malzemesi olarak kullanılan ve yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahip amorf termoplastiklerdir. En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit), PSU (Polisülfon), PPE (Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır. Termoplastik malzemelerin kullanımında en önemli özelliklerden biri işlem sıcaklıkları olduğundan Tablo 4.3.’de yaygın olarak kullanılan bazı termoplastiklerin işlem sıcaklıkları verilmiştir.
Tablo 4.3. Bazı Termoplastik Malzemelerin İşlem Sıcaklıkları [8]
Malzeme PP PA PES PEI PAI PPS PEEK
Erime Derecesi Aralığı (oC) 160-190 220-270 290-340 350-390
Maksimum İşlem Sıcaklığı (oC) 110 170 180 170 230 240 250
Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük işleme kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur. Termoplastik, reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için kullanılırlar. Bazı termoplastikleri
istenilen
şekillere
sokabilmek
için
çözücülere ihtiyaç
duyulabilir.
Termoplastiklerin hammaddesi, termosetlere kıyasla daha pahalıdır.[8]
Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak sanayisinde de yüksek
performanslı
malzeme
çözümlerinde kullanılmaktadırlar. Çoğunlukla
enjeksiyon ve
ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak da üretilmektedir. Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv sektöründe tercih edilmektedir.
4.2. Polimer Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Takviye Malzemeleri Plastik matrisli kompozit malzemelerde takviye malzemesi olarak sürekli ve süreksiz elyaflar kullanılmaktadır. Elyaflar düşük yoğunlukları ve mekanik dayanımlarının yüksek olması nedeniyle tercih edilirler. Fiber malzemeler, hammadde halindeyken bu mekanik özelliklerini gösteremezken,
fiber
formundayken
son derece yüksek
gerilme
mukavemetlerine
ulaşabilmektedirler. [6]
Elyaflar tek yönlü kompozitlerde çok sayıda takviye malzemesinin ince bir plakaya dizilmesi ile sürekli takviye olarak kullanılır. Tek yönlü tabaka, elyaf yönünde maksimum mekanik özelliklere sahiptir. Eğer her yönde bu özellikler aranırsa rastgele yönlendirilmiş elyaflar kullanılır.
Ayrıca, elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır;
Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta üretilmeleri.
Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının artması
Elastisite modülünün çok yüksek olması [8]
Polimer esaslı kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye malzemeleri; cam elyaflar, karbon elyaflar, organik elyaflar ( Aramid- Kevlar ), Bor elyaflar ve Silisyum Karbürler (SiC)’dir. Takviye malzemesi seçiminde göz önüne alınacak unsurlar, istenen mekanik ve çevresel etkilere dayanım özellikleri ve maliyetidir.
4.2.1. Cam Elyaflar Cam elyafın esasını silis-kum (SiO2) meydana getirmektedir. Diğer bileşenler ise sodyum kalsiyum, magnezyum, alüminyum, baryum ve demir gibi elementlerin oksitlerinden oluşur. Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki kuarts camına kadar pek çok tipte imal edilirler. Polimer esaslı kompozitlerde kullanılan en yaygın ve ucuz takviye elemanıdır. Cam elyaf üretimi için, öncelikle hammaddeler elektrik fırınlarında yaklaşık 1200-1500 °C de ergitilir. Daha sonra ergiyen malzeme platin alaşımlı bir potanın tabanındaki binlerce delikten ve devamında bir soğutma bölgesinden geçirilir. Daha sonra prosese uygun olarak yerleştirilmiş bir sarma sitemi ile lifler yüksek hızlarda (20-70 m/s gibi…) çekilerek 5-20 mikron kalınlığında lifler elde edilir.(Şekil 4.1.- 4.2.) Bu lifler demet haline getirilmeden önce bağlayıcı adı verilen bir kimyasal bileşim ile kaplanır. Bağlayıcı cinsi, kompozit malzeme içinde cam elyafının performansını etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Kompozitin mukavemeti, reçine-cam bağının kuvveti ile orantılıdır. Bu bağın kuvveti, kullanılan bağlayıcı içindeki bağlama gruplarının cinsine bağlıdır. Bağlayıcı; film oluşturucu, bağlama grupları, anti statik katkı, plastifiyan ve lübrikant adı verilen malzemelerin karışımından oluşmaktadır. [5]
Şekil 4.1 Cam Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [5]
Şekil 4.2 Cam Elyaf Üretimi Makara Kısmının Ayrıntılı Görünüşü [5]
Cam elyaf takviyesi plastik kullanılan işlerin %90’ında yer alır. Nedeni ise ucuz olması ve bununla birlikte iyi bir ağırlık/mukavemet oranı vermesidir. Cam elyafı iyi bir kimyasal direnç ve kolay işlenebilirlik gösterir. Çekme mukavemetleri mükemmeldir. Buna rağmen uzun süreli yükler altında kaldıklarında bozulabilirler. [3]
Kullanılan taşların tiplerine göre değişik cam elyaf tipleri oluşturulabilir. Genel olarak 4 adet cam elyaf tipi bulunur. Bunlar;
A (Alkali) cam elyaf; Yüksek oranda alkali içeren bir camdır. Bu nedenle elektriksel yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek olan A camı, en yaygın cam tipidir.[8]
E (Elektrik) cam elyaf; alümina, kireç ve borosilikat ana malzemesidir. Çekme, basma mukavemeti ve elektrik özellikleri iyidir. Diğerlerine göre daha ucuzdur fakat darbeye karşı dayanımı azdır.
C (Korozyon) cam elyaf; Kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır. Genellikle kimyasal ya da su borularında veya tanklarda iç yüzey katı olarak kullanılır.
S (Mukavemet) cam elyaf; E camından daha iyi çekme mukavemeti ve modülüne sahiptir. Islak halde de yüksek mukavemet özellikleri gösterir. Genelde uzay ve savunma endüstrisinde ve ağı balistik kalkanlarının imalatında kullanılır. E cama göre pahalıdır. (Tablo 4.4.) [3]
Tablo 4.4 Çeşitli Cam Liflerin Özellikleri [8]
Cam Tipi Özellikler A
C
E
S
Özgül Ağırlık (gr/cm3)
2,50
2,49
2,54
2,48
Elastik Modül (Gpa)
-
69,0
72,4
85,5
Çekme Mukavemeti (Mpa)
3033,0
3033,0
3448,0
4585,0
(m/m/oCx10.6)
8,6
7,2
5,0
5,6
Yumuşama sıcaklığı (oC)
727,0
749,0
841,0
970,0
Isıl genleşme katsayısı
Katkı Malzemeleri (%) SiO 2
72,0
64,4
52,4
64,4
Al2O3, Fe2O3
0,6
4,1
14,4
25,0
CaO
10,0
13,4
17,2
-
MgO
2,5
3,3
4,6
10,3
Na2O, K2O
14,2
9,6
0,8
0,3
Keçeler, genellikle birim alan ağırlığı ile ifade edilmektedir. Örneğin; 300-450 gr/m2 kırpılmış demetten keçenin birim alan ağırlığı 300-450 gr. olacaktır. Keçede elyaflar 7-10 cm. boylarında olup rastgele yerleştirilmiştir. Düşük elyaf uzunluğu sebebiyle çok güçlü değildir. Buna rağmen izotropiktir. Bu özelliğe sahip tek elyaf çeşididir. En ucuz ve en çok kullanılan takviye şeklidir. Kalıp ve parça imalatında kullanılır. Çok sayıda bükümlü veya bükümsüz iplikler kullanılarak üretilen dokunmuş cam kumaşlarda mevcuttur. Bu kumaşlar farklı dokuma çeşitleri olup dört yönde ve farklı birim ağırlıklarda üretilirler. Bu kumaşlardan yönlendirilmiş
mukavemet ve yüksek elyaf oranı elde edilebilir. Ayrıca, reçine
uygulandığında kumaş kalıp içerisinde sürüklenmez, sabit olarak kalır. Kumaşlar hem elyaf oranı olarak hem de takviyenin yerleşimi
bakımından gerekli ürün özelliklerini
karşılamaktadır. Birçok kumaşta, elyafın devamlılık özelliği sayesinde mukavemet/ağırlık oranı, keçe elyaflara göre daha yüksektir. Kumaşlarda kendi aralarında dokunmuş ve dikilmiş
kumaşlar olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar:
Dokunmuş kumaşlar yaklaşık elli yıldan beri kompozit endüstrisinde kullanılmaktadır. Dokunmuş kumaşlar sıkı örülmüş cam elyafından bir plaka oluşturur. Cam fitillerinin bükümsüz olarak dokunmasıyla veya bobin üzerine sarılmadan önce tekstil bağlayıcılı ve devamlı cam elyafın bükümlü hale getirilmesi ile elde edilen tekstil ipliklerinin dokunması ile elde edilen ürünlerdir. Cam lifleri kalıp üzerine yerleştirildikten sonra veya önce de reçine emdirilebilir. Dokunmuş kumaşlar dokuma tipine göre farklı isimlerde tanımlanabilir. Genellikle bir kumaşın mekanik özellikleri, dokuma tarzından büyük ölçüde etkilenmektedir. Örneğin düz dokuma kumaşlar çok sayıda atkı ve çözgüye sahip olup düşük mekanik özelliklere sahiptir. [3]
Dikilmiş kumaşlar ise takviye ürünleri alanına yeni katılan bir üründür. Bu kumaşlar “dokunmamış” olarak da bilinir. Farklı yönlerdeki elyaf kumaşları takviye performanslarına katkıda bulunmayan çok ince polyester iplikle dikilerek birleştirilir. Bu tür kumaşlar, eşit ağırlıktaki dokunmuş kumaşlarla karşılaştırıldığında daha yüksek performans ve mekanik değerlere sahiptir.
4.2.2. Karbon Elyaflar Ülkemizde henüz gelişme sürecini yaşayan CTP'lerin dünyadaki gelişim ve yaygınlaşması büyük ölçüde doyma düzeyine ulaşmıştır. 1960'lı yıllarda ortaya çıkan ve henüz gelişme aşamasını yaşayan ileri kompozit malzemeler ise ülkemizde yeni yeni tanınmaktadır. Karbon elyaf 6-10nm çapında, yani insan saçından daha ince olup bileşiminde % 99 karbon bulunan bir elyaf türüdür. Çelik, alüminyum benzer yapı malzemelerinden farklı olarak alaşım veya bileşik halinde değildir. Bu siyah renkli elyafın polimer matris içinde kullanılmaya başlanması ile malzeme biliminde yeni bir dönem açılmış ve günümüzde % 60'ı aşan elyaf hacim oranlarında karbon takviyeli kompozit malzeme üretimi gerçekleştirilmiştir. Karbon elyaf, cam elyaf ile karşılaştırıldığında yaklaşık aynı dayanıma sahip olduğu, ancak çok daha hafif ve rijit olduğu görülür. Bunun yanı sıra karbon elyaf takviyeli kompozit malzemeler son derece düşük ısıl genleşme, yüksek yorulma dayanımı, yüksek korozyon direnci gibi daha başka üstünlüklere de sahiptirler. [1] PAN tabanlı karbon elyaflar kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için sürekli geliştirilmektedir. Bu elyaflar ile önce gerdirilerek termoset işlemlerle 400°C’ nin
üzerine ısıtılır. İlk aşama organik malzemenin oksidasyonuna neden olur. Daha sonra malzeme yaklaşık olarak 800°C’ de vakum altında karbonizasyon işlemine tabii tutulur ve karbon dışındaki empüritelerden arındırılır. Malzemenin karbonizasyonundan sonra elyaflar %50 ile %100 arasında gerdirilerek 1100° C ile 3000° C arasında ısıtılarak grafitleştirme işlemi yapılır. Son olarak elyaflar yüzey işlemlerinden geçerler ve epoksi-fiber bağının güçlenmesini sağlamak amacıyla epoksi kaplanılar. (Şekil 4.3.)
Şekil 4.3 Karbon Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [1]
Karbon elyafların bir alt türü olan grafit elyaflar yaklaşık 0.008 mm çapında üretilirler. PAN esaslı elyaf üretiminde yüksek oranda karbon içeren polyaklironitril ön mamulü kullanılır. Bu polimerden elyaf elde etmenin esası, ısıl ve mekanik etkilerle karbon dışındaki elementlerin giderilmesi ve güçlü karbon bağlarının elyaf eksenine getirilmeye çalışılmasıdır. Son grafitleme işleminin sıcaklığı, grafitleşme oranını ve elyafın özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Kristal yapıya sahip grafit oranı arttıkça elyafın modülü de yükselir. Örneğin, 1400°C sıcaklıkta ısıl işlem görmüş elyafın modülü 206 GPa iken, 2400°C'ta bu değer 380 GPa'ya yükselir. Bu sayede değişik özelliklere sahip elyaf üretilmesi mümkün olur.
PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür. [8]
4.2.3. Aramid Elyaflar Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik poliamid maddesinden gelmektedir. Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) olarak
bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir.
Aramidiler -CO-NH-grupları ile aromatik karbon halkaları zincirlerinden oluşur. Polimeri elyaf haline dönüştürmek için kuvvetli mineral asit, oleum yağı veya klor sülfonik ile konsantre olmuş eriyik hazırlanır. Bunlar süzgeçten geçirilir ve nötralize edilmiş banyo içinden iplik olarak çıkar.(Şekil 4.4) Hem meme şekli hem de çekme derecesi başarılı elyaf üretimi için önemlidir. Elyaflar çekildikten sonra yıkanır, durulanır ve çekme altında 550 °C sıcaklıklarda azot içinde ısıtılır. [5]
Şekil 4.4. Aramid Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [5]
Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi elyaf ekseni doğrultusunda çok iyi iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır. Aramid elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyet özelliklerine sahiptir. Darbe direnci yüksektir, gevrekliği grafitin gevrekliğinin yarısı kadardır. Bu nedenle kolay şekil verilebilir. Doğal kimyasallara dirençlidir ancak asit ve alkalilerden etkilenir. Bununla birlikte dezavantajları ise şunlardır; Bazı tür aramid fiberi ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. Fiberler çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır. [8]
En yaygın olarak kullanılan iki aramid, Kevlar 29 ve Kevlar 49 isimlerini taşımaktadır. Bu iki
tip takviye malzemesinin diğer takviye elyaf türleriyle bir mukayesesi aşağıda verilmiştir;
Her iki Kevlar da 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptir ve kopma uzaması % 1,8 ’dir.
Kevlar 49’un elastik modülü Kevlar 29’unkinden iki kat fazladır.
Kevlar elyafın yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklarından daha düşüktür.
Kevlar 49/Epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit/epoksi kompozitlere oranlar yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha iyidir.
Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla birlikte hibrid kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar.
Aramid elyaflar elektriksel iletkenliğe sahip değildirler.
Basma mukavemetlerinin iyi olmamasının yanı sıra Kevlar/epoksi kompozitlerinin nem absorbe etme özellikleri kötüdür. (Tablo 4.5.)
Tablo 4.5. Çeşitli Aramid Fiberlerin Mekanik Özellikleri [8]
Özellik
Kevlar 29
Kevlar 49
Kevlar 149
Twaron Technora
Yoğunluk r(g/cm3)
1,44
1,45
1,47
1,44
1,39
Çap (mm)
12
12
12
12
12
Elastik Modülü E(Gpa)
60
120
160
60
90
Spesifik Modül Ef/r (MNm/kg) 42
82
110
42
65
Çekme Diyagramı Rm(Mpa)
3000
3000
2400
2600
2800
(kNm/kg)
2080
2070
1630
1800
2010
Maksimum uzama %
3,6
1,9
1,5
3
4
Spesifik
Dayanımı
Rm/r
4.2.4. Bor Elyaflar Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor-Tungsten elyaflar, sıcak tungsten flamanın hidrojen ve bortriklorür ( BCI3 ) gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece tungsten flamanın dışında bir bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda
üretilebilirler (0.05 mm- 0.2 mm arasında). Tungsten çekirdek ise daima 0.01 mm çapında üretilir. Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler Çekme mukavemetleri 2758 MPa ila 3447 MPa'dır. Elastik modül ise 400 GPa'dır. Bu değer S camının elastik modülünden 5 kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar, uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak mukavemetlerinin çok yüksek olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır. Bor elyafların silisyum karbür ( SiC ) veya bor karbür ( B4C ) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde arttırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıktan 2040 °C civarındadır.
4.3. Polimer Esaslı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri Polimer esaslı kompozit malzemelerde üretim yöntemi seçimi; matris ve fiberlerin çeşidine, parçayı şekillendirmek ve kür işlemi için gerekli ısıya ve maliyete bağlıdır. Genellikle kompozit yapı tasarımında ilk olarak üretim yöntemi göz önünde bulundurulur. Çünkü parçanın maliyeti, hacmi, şekli ve arzulanan diğer özelliklerini sağlamada üretim yöntemlerinin belli sınırlamaları vardır. Bu nedenle tasarımcının çeşitli üretim yöntemlerinin avantajlarını, sınırlamalarını, maliyetini, üretim kapasitesini, verimini ve özel durumlarını bilmesi gerekir. Polimer matrisli kompozit malzeme ile üretim, genel olarak şu aşamalardan oluşmaktadır: 1. Gereken yönlerde fiber yerleştirme 2. Fiberleri reçineyle emprenye etme 3. Fazla reçine, hava ve gazları çıkarma 4. Polimer kürleşmesi veya katılaştırma 5. Kalıptan çıkarma 6. Son işlemler (kesme, boyama vb.) [6] Bu yöntemlerin uygulanmasında çok kesin sınırlar olmamakla birlikte yöntemlerin esası bellidir. Bu bölümde polimer matrisli kompozit malzemelerin çeşitli üretim yöntemleri genel olarak açıklanacaktır.
4.3.1. El Yatırması Yöntemi El yatırması yöntemi en kolay ve en çok kullanılan yöntemlerin başında gelmektedir. Bir basınç uygulaması olmadan reçinenin takviye elyaflara yedirilmesi ile altındaki kalıbın şeklinin verilmesi işlemidir. Şekil 4.5.’te işlem şematik olarak görülmektedir. Bu işlem birkaç aşamada yapılır. Bunlar;
• Uygun malzemelerin seçilmesi (Reçinenin cinsi, cam elyaf gramajı ve çeşidi), • Gerekli miktarların hesaplanması, • Kalıbın hazırlanması, • Jelkot uygulaması (gerekli ise), • Elyaf üzerine yeterli reçinenin sürülmesi, • Kalıptaki tabakanın kürleşmesi için uygun koşullarda bırakılması.
Şekil 4.5. El Yatırması Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
Jelkot, CTP ile üretilecek üründe, modelin üzerine macundan (yapışmayı engelleme amaçlı kullanılan madde) önce sürülen, dış katmanı oluşturacak malzemedir. Bu yöntemde dikkat edilmesi gerekenler; yüzeyin düzgünlüğü için kalıp yüzeyinde çizik, toz, yağ gibi olumsuzlukların bulunmaması, katılaştırma süresinden önce kalıbı bozmama, reçineyi nemden koruma, hızlandırıcıların iyi karıştırılması, malzemeyi kalıptan çıkarırken kalıba ve malzemeye zarar vermeme olarak özetlenebilir. [3]
Bu yöntemde reçine olarak epoksi, polyester, vinil ester ya da fenolik reçineler kullanılabilir. Takviye malzemesi olarak da bilinen elyafları kullanmakta genel olarak bir sakınca yoktur. Ancak ağır aramid elyafların bu yöntemle ıslatılması oldukça zordur. [5]
Yıllardır geniş ölçüde kullanılan bu yöntemin avantaj, dezavantajları ve uygulama alanları şu şekilde özetlenebilir:
Avantajları: 1•Öğrenilmesi ve uygulanması çok kolay 2•Özellikle oda sıcaklığında pişen reçinelerin kullanımında düşük maliyet 3•Yönteme uygun malzeme temini çok kolaydır 1 2Dezavantajları: 3•Yöntem, tabakalamayı yapan kişinin el becerisine çok bağlıdır. 4•Yüksek “Fiber Hacimsel Yoğunluğu”na ulaşmak çok zordur. 5•Reçine oranı düşük tutulmak istendiğinde yüksek oranda hava boşlukları ve ıslanmayan bölgeler meydana gelebilir. 6•Bu yöntemde kullanılan reçinelerin yoğunluğu ve viskozitesi düşüktür. Bu tür reçinelerin insan sağlığı açısından ağır moleküllü reçinelere oranla daha zararlıdır. 7•Pahalı havalandırma sistemleri olmaksızın Polyester ve vinil ester için havaya karışan sitren konsantrasyonunu yasal sınırlarda tutmak zordur.
1Rüzgâr türbin kanatları, plakalar, tekne üretimi, mimari amaçlı kalıplamalarda bu yönteme başvurulabilir. Yoğun işçilik gerektirdiğinden az sayıda üretim için daha elverişli bir yöntemdir.
4.3.2. Elyaf Püskürtme Yöntemi Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Reçine olarak daha çok polyester kullanılır. Takviye malzemesi olarak ise demet halinde lifler kullanılır. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür.[9] Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir kırpıcı sayesinde yapılır.(Şekil 4.6.) İşlem basamakları şöyle ifade edilebilir; 1• Kalıp yüzeyi bir kalıp ayırıcı madde ile kaplanır. 2• Kalıp yüzeyine jel-kaplama (jelkot) yapılır ve sertleşmesi beklenir.
3• Fiberler bir el tabancasında kıyılır (kısa fiberler haline getirilir) ve katalizör/sertleştirici ile karıştırılan bu fiberler bir kalıba püskürtülerek üretim gerçekleştirilir. 4• Belli bir kalınlık elde edildikten sonra da malzeme genellikle ortam şartlarında pişmeye (curing) bırakılır. 5 6
7
8Şekil 4.6. Elyaf Püskürtme Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
İşlemin avantajları; 1•Kısa sürede düşük maliyetli üretim, 2•Uygulanması basittir.
1Dezavantajları; 2•Elde edilen üründe reçine oranı yüksek (ağır bir yapı), 3•Kısa liflerden dolayı sınırlı mekanik özellikler, 4•Yüksek sitren içeriği (sağlık açısından zararlı), •Düşük viskozite nedeni ile püskürtme esnasında açığa çıkan parçacıkların giysilere vs nüfuzu daha kolaydır. 1 2Uygulama alanları ise; çeper türü basit yapılar, yük taşımanın esas olmadığı durumlar (örneğin bir karavan gövdesi) banyo küvetleri olarak verilebilir. Şekil 4.7. de püskürtme yöntemi ile yapılan bir banyo küvetinin resmi görülmektedir. 3
4 5Şekil 4.7 Püskürtme Yöntemiyle Küvet İmalatı [5]
4.3.3. Vakumlama Yöntemi Vakumlu torba kalıplaması elle kalıplamanın gelişmiş bir şeklidir. Büyük karmaşık şekilli parçaların bu teknikle üretilmesi mümkündür.[8] Vakumla sıkıştırma yöntemi, atmosferik basıncı kullanarak lamine edilmiş parçanın kürleşene kadar basınç altında sıkıştırılmasıdır. Artık modern oda sıcaklığında kürleşebilen reçinelerin üretilmesiyle, bu yöntem eskisi gibi pahalı ve karışık ekipmanlara gerek duymadığından, ortalama bir laminasyon atölyesinde bile kullanılmaktadır. Vakumla sıkıştırma yönteminde her türlü elyaf, reçine ve köpük kombinasyonundan oluşan malzemelerle kompozit ürünler elde edilebilir. [3]
Vakum yönteminde laminasyonu sıkıştırmak için atmosferik basınçtan yararlanılır. Yapılan laminasyon hava geçirmez bir düzenek içinde tutulur. Bu düzenek genelde bir tarafı kalıp yüzeyi diğer tarafı ise hava geçirmez naylon kaplamadan oluşur. İşlem basamakları şu şekildedir; •Naylon, kalıbın üzerine yapıştırılarak içerisindeki ortamın hava geçirmezliği sağlanır. Bu anda düzeneğin içindeki ve dışındaki hava basıncı birbirine eşittir. •Sonra vakum pompası çalıştırılarak düzenek içindeki hava çekilir ve ortamın vakum altında kalması sağlanır. Ortamdaki hava basıncı düştüğünden, düzenek yüzeyinde dışarıdaki atmosferik basınçtan dolayı bir baskı oluşur. Teorik olarak ortamda yaratılabilecek maksimum basınç 1 atm’ dir. Bu da düzenek içindeki tüm havanın alınması ile sağlanır. Fakat gerçekçi
olarak baktığımızda basınç farkı yaklaşık olarak 0,4-0,8 bar’dır. (Şekil 4.8.) •Kürleşmeden emin olunduğunda vakum kapatılır ve tüm bileşim bir fırına alınır. •Katılaşma süresi tamamlanınca parça kalıptan çıkartılır.
Şekil 4.8. Vakumlama Yöntemi Prensibi [3]
İşlemin avantajları; • Düzgün olarak dağılmış ve içindeki ürünlerin özelliklerine bağlı olmayan bir baskı kuvveti sağlanır. •Vakumun oluşturduğu aynı baskı ile laminasyon daha ince ve hava boşluğu olmayan bir ürün elde edilir.
•Vakumla sıkıştırma aynı zamanda ortamdaki fazla reçineyi de kontrol ederek, yüksek elyafreçine oranı sağlar. Bu da yüksek mukavemet/ağırlık oranı ve üreticiye düşük maliyet demektir •Yöntem basittir ve çok çeşitli kalıplarda kullanılabilir.
Vakumlama yöntemi ile birçok parça üretilebilmektedir. En yaygın kullanım tekne imalatında olmaktadır.
4.3.4. Otoklav Yöntemi Termoset kompozit malzemelerin performanslarını artırmak için elyaf/reçine oranını artırmak ve malzeme içinde oluşabilecek hava boşluklarını tamamen gidermek gerekmektedir. Bunun
sağlanması için malzemeyi yüksek isi ve basınca uygulayarak sağlanabilir. Vakumlama yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat 1 atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir bir basıncın uygulanabilmesi için dışsal basınca ihtiyaç duyulur. Bu uygulama için, otoklav yönteminde de uygulanan ve karmaşık şekillerde en çok kontrol edilebilen metot, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir.[2]
Otoklav, kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vakumlama yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır. [8]
4.3.5. Elyaf (Flaman) Sarma Yöntemi Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır.(Şekil 4.9.) Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır. [9]
Yöntemde matris malzemesi olarak termoset reçineler kullanılabilir, takviye malzemesi olarak ise bir bobine sarılmış sürekli lifler kullanılır. [5] İşlem basamakları aşağıdaki gibidir;
•Bobinlere sarılı olan fiberler bir reçine banyosundan geçer •Reçine emmiş olan fiberler hareketli bir mekanizma ile belli bir hızda ekseni etrafında dönen mandrele istenen yön ve açıda sarılır •İstenen kalınlığa veya katman sayısına (tabakaya) ulaştıktan sonra işlem tamamlanmış olur. •Kurutma işlemi oda sıcaklığında ve bir fırında geçekleştirilir.
Şekil 4.9. Elyaf Sarma Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir:
Avantajları; 1•Malzeme sarımı hızlı ve ekonomik bir yöntemdir 2•Reçine oranı el yatırması yöntemine göre daha iyi kontrol edilebilir 3•Bobine sarılı lifler ikinci bir işlemden geçip kumaş haline getirilmediği için maliyet minimize edilmiş olur 4•Her katmanda farklı yönlerde sarım yapma imkânı olacağı için değişik yüklemeler yapı tarafından karşılanabilir
Dezavantajları: •Uygulama sahası konveks şekle sahip parçalar ile sınırlıdır •Büyük parçalar için sarımın yapılacağı mandreller pahalı olabilir •Düzgün bir dış yüzey elde etmek için parçanın pişme sonrası işlenmesi gerekebilir •Düşük viskoziteye sahip reçineler genellikle üretimde kullanılır. Bu da çeşitli sağlık sorunları ve mekanik özeliklerde düşüşü beraberinde getirir. Çeşitli uygulama alanları; 1•Kimyasal depolama tankları 2•Borular 3•Gaz silindirleri 4•İtfaiyecilerin kullandığı teneffüs tankları olarak verilebilir.
4.3.6. Reçine Transfer (RTM) Yöntemi Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM yöntemi çoğunluk jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin birleşimi kullanılır. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Şekil 4.10.’da yöntem, şematik olarak gösterilmiştir. İşlem basamakları şu şekildedir; • Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. • Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. • Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80 ºC’ a kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. • Daha sonra kalıp içindeki malzeme katılaşır, kalıp açılarak malzemeye son işlemler yapılır. [9]
Şekil 4.10. RTM Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
Avantajları; kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazların azalması ve gözeneksiz bir ürün elde edilebilmesidir. Ayrıca bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. En büyük dezavantajı ise elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik
gerektirmesidir. Kullanım alanları; Concorde uçaklarında ve F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır.
4.3.7. İnfüzyon Yöntemi Kompozit imalatında kullanılan RTM (Reçine Transfer Kalıplama) yönteminin bir alt kolu olan İnfüzyon yöntemi 1980’li yıllardan beri başta ABD olmak üzere tüm dünyada, farklı sanayi dallarında uygulanmakta olan bir kompozit imalat yöntemidir. Vakumlanmış ortam içerisinde reçinenin ilerlemesi prensibiyle çalışan bu yöntemde, imalat hazırlıkları tamamlanmış ürünün el değmeden üretimi amaçlanmaktadır. [3]
İnfüzyon yöntemi dört bölümden oluşur: Vakum pompası, vakum tankı (reçine toplama tankı), kalıp ve reçine kovası (Şekil 2). Bu dört bölümün bağlantıları ve şekilleri değişebilir ancak genel sistem mantığı hep aynıdır. İnfüzyon ile ürün imalatını aşağıdaki gibi 6 bölümde inceleyebiliriz; • Kalıp hazırlığı yapılır, elyaf kullanılacak ise köpükler hazırlanır. • Reçine ve vakum hatları, kalıbın çevresine göre reçine hatları ve vakum hatları ayarlanır, infüzyon macunu kalıbın etrafını çevreleyecek şekilde yapıştırılır ve vakum tankları hatlara bağlanır. • Torbalama, Vakum torbası kalıp üzerine yeterli derecede baskı yapabilmesi için kalıba göre kesilir, özellikle derin kalıplarda elyaf yüzeyine tam olarak basması gerektiğinden derinlik hesaba katılarak kesilmelidir. Kesildikten sonra infüzyon macunu ile kalıp etrafına sızdırmaz şekilde yapıştırılır. • Vakumlama, infüzyon düzeneğine vakum göstergesi bağlanır ve vakum pompası açılır. Vakum torbasında kaçak olup olmadığı vakum göstergesi ve kaçak detektörü ile kontrol edilir. • İnfüzyon Hazırlığı, Reçine geçişini sağlayacak portlar düzenek üzerine bağlanır. Gerekli reçine miktarı hazırlanır, bu miktar hazırlanırken hortum içinde kalacak reçine de hesap edilmelidir. Reçineye gerekli katkı maddeleri eklenir ve karıştırılır. • İnfüzyon, Hortumlar portlara takılarak reçine akışına başlanır, işlem esnasında gerekirse vakum tankları boşaltılır ve vakum geycinde vakum değerini ayarlayıp reçinenin vakumla düzenekte baskı halinde kalması sağlanır.
İnfüzyon yönteminin sağladığı avantajlar şöyle sıralanabilir; 1. Malzeme yapısının daha sağlam olmasına ve malzemenin daha uzun ömürlü kullanımına olanak sağlayan düşük reçine / elyaf karışım oranı. 2. Tutarlı reçine kullanımı, 3. Malzeme yapısında ve görüntüsünde homojenlik, 4. Temiz imalat. [3] İnfüzyon yöntemi denizcilik sektöründe, yat imalatında kullanılmakta olan bir yöntemdir.
4.3.8 Profil Çekme / Pultruzyon Yöntemi Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. “Pull” ve “Extrusion” kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 ºC’ a ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir. [8] Yöntem şematik olarak Şekil 4.11.’de görülmektedir.
Şekil 4.11 Pultruzyon Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
4.3.9.Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemi Fiber takviyeli termoplastiklerin, imalatında tercih edilen bir yöntemdir. Her bir kalıplama periyodunda
birkaç
gramdan
on
kilograma
kadar
değişen
aralıklarda
parçaları
kalıplayabilecek kapasitede enjeksiyon makinelerinin kullanılması mümkündür.(Şekil 4.12.)
Enjeksiyon makinelerine beslenen kalıplama bileşikleri, boyları 3-6 m arasında değişen granüller halinde ön karışımlardır. Enjeksiyonla kalıplama tekniğinde genellikle palet şeklindeki ön karışımlar kullanılır.
Şekil 4.12. Enjeksiyon Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
Bu yöntem RTM’ ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp dışarısında karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Çocuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar birçok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir. [9]
4.3.10. Ekstrüzyon Yöntemi Ekstrüzyon tekniği termoplastiklerin şekillendirilmesinde büyük ölçüde kullanılmakla beraber takviyeli termoplastiklerde sınırlı oranda uygulanmaktadır. Sürekli bir yöntem olup tonajı yüksek olduğu zaman ekonomiktir. Tüp, boru veya karmaşık şekilli profillerin üretimi mümkündür. [8]
4.3.11. Preslenebilir Takviyeli Termoplastik (GMT) Yöntemi GMT; keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde baskılanabilir
kalıplamaya
hazır
özel
amaçlı
bir
takviyeli
termoplastik
çeşidini
tanımlamaktadır. GMT malzemesinin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstrüderden
çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek, baskılanmaya hazır duruma getirilir. [9]
4.3.12. Hazır Kalıplama (SMC-BMC) Yöntemleri Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC, BMC) sıcak baskı kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Son bölümdeki uygulama kısmında bu yöntem ayrıntılı olarak inceleneceğinden bu bölümde kısaca değinilecektir.
Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır;
SMC (Sheet Moulding Compounds) / Hazır Kalıplama Pestili; SMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan pestil biçiminde malzemedir. Sürekli liflerden 25-50 mm kırpılmış ve kompozitin %25-30 ağırlığında demetler kullanılır. Genellikle 1m genişliğinde ve 3mm kalınlığında üretilir.
BMC (Bulk Moulding Compounds) / Hazır kalıplama Hamuru; BMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir. [eniscigemici]
Bu yöntemlerde malzemeye şekil vermek için bir dişi bir erkek kalıp kullanılır. SMC-BMC yöntemlerinde genel olarak şu yol izlenir; • Belirli bir miktar şarj (elyaf takviyeli reçine) kalıbın içine doldurulur. • Bir hidrolik pres kullanılarak, dişi ve erkek kalıplar kapatılır, ısı ve basınç yardımıyla parça kürleşmeye bırakılır.( Şekil 4.13.) • Kürleşmeden sonra, basınç ortadan kaldırılır ve parça kalıptan çıkartılır.
Şekil 4.13. Hazır Kalıplama Yönteminin Şematik Görüntüsü [10]
Yöntemin avantajları; • Çok geniş tasarım esnekliği • Düzgün yüzey • Kolayca saklanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi • Geri dönüştürülebilme ve hazırlığında geri dönüşümlü malzeme kullanabilme • Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı • Yüksek alev dayanımı • Isı dayanımı • Soğukta kırılgan olmama [9]
Birçok alanda kullanılmaya uygun ve hızlı olan hazır basınçlı kalıplama yöntemleri en çok otomotiv yan sanayi sektöründe kullanılmaktadır. Bu yöntemle üretilen parçalara otomobil kaportası, hızlı tren-metro vagon panelleri, konteynerler, elektrik parçaları, oyuncaklar gibi örnekler verilebilir.
4.4. Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Özellikleri Bu bölümde polimer matrisli kompozit malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri incelenecek, korozyon, yanıcılık, sürünme, iletkenlik ve ısıl özellikler gibi konular ele alınacaktır.
4.4.1. Mekanik Özellikler Makine ve yapıları imal ederken anizotropik malzeme kullanımının belli bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajları; takviye doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve elastik olarak yüksek kopma uzaması, çok iyi yorulma dayanımı, kalıcı deformasyon olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, çok düşük enine ısıl ve elektrik iletim katsayısı, tabakalı kompozitlerin tabaka yapılarının istenen amaca göre düzenlenebilmesidir. Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara sebep olacak büyüklükte ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan ve masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım yerinde iç gerilme oluşabilmesi, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi, kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleri ile sınırlanması, sıcaklık sebebi ile özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli tasarım gerekliliği olarak sayılabilir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine ve yapı elemanının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir. [15]
Belirli özgül özelliklerinin çok yüksek olması sebebiyle kompozit malzeme kullanımı hızla artmakta, pek çok alanda da geleneksel malzemelerin yerini almaktadırlar. Başlangıçta hafiflikleri sebebiyle uzay sanayinde kullanımı ile dikkat çekmişlerse de günümüzde gıda sektöründen otomotiv sektörüne, inşaat sektöründen denizcilik sektörüne kadar hemen her alanda kullanılmaktadırlar.
Kompozit malzeme kullanımı, izotropik malzeme şartlarında dizayn ve tasarıma alışmış mühendis ve malzemeciler için oldukça farklı bir ortam oluşturmaktadır. İzotropik malzemenin her yönde yalnız bir değerle ifade edilebilen özelliklerinin, kompozit malzeme kullanımı durumunda birden çok değerle ifade edilmesi gerekmelerdir. En basit durumda, tek yönde takviye edilmiş ortotropik yapıya sahip bir levhada takviye doğrultusunda ve buna dik doğrultuda olmak üzere iki çekme mukavemeti, iki elastisite modülü, iki ısıl genleşme
katsayısı ile iki elektrik ve ısı iletim katsayısı gibi değerlerinin bilinmesi ve tasarımda göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Üstelik bu değerler doğrultulara göre büyük farklılıklar göstermektedir. (Tablo 4.6.)
Tablo 4.6. Tek Yönde %60 Oranında Takviyelendirilmiş Epoksi Reçine Matrisli Kompozitlerin Enine ve Boyuna Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması[15]
Malzeme
Elastite
Çekme
Isıl Genleşme
Modülü
Dayanımı Rm
Katsayısı
E(GPa)
(MPa)
(10-6 1/K)
Boyuna Enine Boyuna Enine Boyuna Enine Cam
55
16
1600
40
2
0,5
Karbon
140
98
1240
41
1,5
0,4
Kevlar
77
51
1300
20
1,35
-4
Boron
210
19
1240
70
2,2
4,5
Kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini belirleyen dört temel faktör vardır. Bunlar; matris malzemesinin özellikleri, fiber malzemesinin özellikleri, ara yüzey özellikleri ve mikroyapı özellikleri olarak sayılabilir.
Kompozit malzeme içerisindeki mekanik özellikler fiber miktarı ile çok yakından ilişkilidir. Kompozit malzemede mukavemet ve rijitlik değerlerinde en yüksek değerlere tek yönlü sürekli fiberler ile ulaşılır.[12]
Kompozitlerde lifler kuvvet yönüne paralel veya dik yönde veyahut rastgele dağılmış durumda bulunurlar. Lifler yönlenmiş durumda iken kompozit büyük ölçüde anizotrop olur. Lifler rast gele dağıtılmış ise düzlemsel boyutta izotrop olurlar. Liflerle kuvvet birbirine paralel ise liflerle matris aynı miktarda şekil değiştirir. Buna eş şekil değiştirme hali denir.[16]
(a)
(b)
(c)
Şekil 4.14. Paralel ve Dik Yönlenmiş Lifler ile Elastisite Modülü İlişkisi [16] a) Ek şekil değiştirme hali (Paralel lifler) b) Eş gerilme hali (Dik lifler) c) Elastisite modülünün kompozitin bileşim oranı ile değişimi (rastgele lifler)
Plastik matrisli kompozit malzemelerin en belirgin özellikleri yüksek dayanım ve düşük yoğunluktur. Bu iki özelliği bir arada bulundurabilen oldukça önemli malzemelerdir. Özellikle taşıt araçlarında düşük yoğunluk ve yüksek mukavemetin bir arada bulunması önemlidir. Bu durumu hava taşıtlarından bir örnek vererek açıklayabiliriz: Uçakların kendi ağırlıkları azaldıkça taşıyacakları yük artacak ayrıca ağırlığındaki azalmayla orantılı olarak yakıt tüketimi de azalacaktır. Bir DC 10 uçağının ağırlığında sağlanacak 1 kg.lık azalma yıllık 2900 İt yakıt tasarrufu sağlar. Bu durum göz önüne alınacak olursa, alüminyum yerine cam, karbon ve aramid fiberli kompozit kullanılarak bir A 310 uçağında sağlanan 397 kg.lık ve bir A 320 uçağında sağlanan 800 kg.lık bir ağırlık kazancının ne kadar önemli olduğu görülür. Aşağıda çeşitli fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin bazı mekanik özellikleri verilmektedir. [1]
Tablo 4.7. Geleneksel Bazı Malzemelerle Polimer Esaslı Kompozitlerin Karşılaştırılması [1]
Yoğunlu
Çekme
Young.
Özgül
k
Dayanımı
Mod.
Çekme D.
Malzeme
(gr/cm3) Rm (Mpa) (GN/m2)
α/ρ
Özgül Mad. (E/p)
Yumuşak Çelik
7,9
459
203
26
26
Alüminyum
2,8
84
71
25
25
Boron / Epoksi
1,8
1380
275
149
149
YD
1,5
1620
148
92
92
E Camı / Epoksi
1,9
1310
41
92
92
Karbon / Epoksi
Tabloda görüldüğü üzere, bir epoksi reçinesine elyaf takviyesi yapıldığında, yoğunluk çok önemli olmayan değişiklikler göstermekte fakat mekanik özelliklerde önemli ölçüde iyileşmeler görünmektedir. Epoksi reçinelerin elastiklik modülü 2 ila 3,5 GPa civarından 275 GPa değerine, çekme dayanımları 50 – 90 MPa değerinden 1300 - 1600 MPa seviyelerine çıkabilmektedir.
4.4.2. Isıl Özellikler Plastiklerin ısıl iletkenliklerinin düşük olmasından dolayı, sürtünme veya tekrarlanan gerilmelerin sebep olduğu sıcaklık büyümesi, malzeme içerisinde ısı birikmesine neden olur. Bu olay ısıl yorulmaya yol açar. Isıl yorulmayı azaltmak için, plastik malzemelere katkı maddeleri ilave edilir. Katkılı plastiklerin ısıl iletkenlikleri en az 10 kat daha yüksektir, Örn. 4–30 değerinde olan epoksilerin ısıl iletkenleri katkı mad-deleri ile takviye edildiklerinde 800–2500 değerlerine kadar çıkabilmektedir.[8] Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin farklı olması sebebiyle, ısı yükü altında farklı uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir. Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir yük uygulanmasa bile malzemede hasara yol açabilecek kadar büyük olabilmektedir. Tabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı uzamaya rağmen takviye doğrultularındaki farklılıklar sebebiyle çarpılma şeklinde hasarlar oluşabilmektedir. İzotropik malzemelerde de oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken, kompozit malzemede bu durum mümkün olmamaktadır. Bu yüzden
ikincil bir yük olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini büyük önem kazanır. Tabakalı üretim durumunda tabakalar, uzamalar birbirini ortadan kaldıracak şekilde yerleştirilmelidir. Birleşme yerlerinin tasarımında, bu gerilmelerin de dikkate alınması gerekmektedir. Önceden ısıl gerilmeler hesaba katılarak yapılacak tasarımla bunların kullanışlı hale getirilmesi mümkün olabilmektedir.
Sıcaklığın polimerlere etkisi dikkate değerdir. Termosetler amorf bir yapıya sahiptir ve ayırt edici bir camsı geçiş sıcaklığına sahiptirler. Bu sıcaklık rijitlikten elastiki duruma geçiş sıcaklığıdır. Yapısal polimer esaslı kompozitler camsı geçiş sıcaklığının altında işlem görürler. Termoplastikler amorf ya da yarı kristalin yapıya sahip olduklarından, camsı geçiş sıcaklığının yanında kristalin yapıların erime sıcaklığını da sergilerler. Polimerlerin elastisite modülü sıcaklığın etkisiyle önemli miktarda azalabilmektedir. 4.4.3. Elektriksel Özellikler Elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan elektriksel iletim
özellikleri cam, aramid ve seramik fiber
kullanılması
durumunda matris
malzemeninkilere yakındır. Karbon fiberler gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. Polimerik matrisli kompozit malzemelerde, matris malzemeleri metallere göre yaklaşık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir. Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır. Kompozit içinde takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış vektörü arasındaki açı önemlidir. İzotrop cam fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayıları arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır. Karbon fiberlerde ise bu oran %0,2’ye kadar düşmektedir. Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke maruz kompozitlerin tasarımında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir. [15]
4.4.4. Yorulma Kompozit malzemelerde yorulma, izotropik malzemelerden oldukça farklı bir şekilde oluşur. İzotrop malzemelerde değişken yüklemeye maruz bir makine elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır. Bu malzemeler için çatlak başlangıcı ilerlemesi hemen hemen tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur. Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fiberlere geçmesini geciktirdiğinden
metalik malzemelere göre daha azdır. Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye bağlı olarak farklı şekillerde meydana gelir. Fiber-matris ara yüzey bağ kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir. Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesiyle hasar meydana gelir. Kumaş şeklindeki takviyelerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur. Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir. Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direnci de artmaktadır. Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır. Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre yorulma dirençleri daha büyüktür.
4.4.5. Sürünme Metallerin aksine, polimerler oda sıcaklığında sürünme davranışı gösterirler. Ayrıca, polimerlerin mekanik davranışları nem ve sıcaklığa oldukça bağlıdır. Polimerler ayrıca uzun süreli yükleme durumunda bu zorlanmaları biriktirdiğinden sürünmeye yatkındırlar. Polimerlere elyaf takviyesinin en önemli getirilerinden biri de bu sürünme davranışını sınırlandırmak ve iş parçalarının uzun bir süre kullanılabilir kalmasını sağlamaktır. [6]
4.4.6. Korozyon Davranışı Matris malzemesi kompozitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine ilk maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı özellikleri de belirlemektedir. Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin çok çeşitli çevre ve kimyevi yüklere karşı yüksek performans göstermesini sağlamaktadır. Metalik matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinden meydana getirdiği koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir. Mesela, 200°C üzerinde özellikleri kararlı olmayan veya kimyevi etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara ya da çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir. [15] Polimerler neme maruz kaldıklarında ya da ıslak çevre şartlarında kullanıldıklarında, nemi difüzyon ile absorbe ederler. Nem, dayanımı, Young modülünü ve camsı geçiş sıcaklığını düşürür.
Plastik matrisli kompozitlerde kimyasal bozulma, matris malzemesinin, elyaf malzemesinin ya da elyaf-matris ara yüzeyinin bozulmasının bir sebebi olabilir. Polimerler, çözücülerin absorbe edilmesi (su dâhil), oksidasyon, UV ışınları ve termal etkilerden ötürü özelliklerini kaybedebilir. Alkaliler, fluoridler, sıcak su ve hidroklorik asit de matris malzemesi tarafından absorbe edilmesi halinde cam elyaflara zarar verebilir. Eğer matris malzemesinde kırık ve çatlaklar oluşmuşsa absorbsiyon hızlanacaktır. Bu nedenle matris malzemesinin özellikleri hem kendisinin, hem de takviye ve ara yüzey bağlantısının kimyasal çevre şartlarından etkilenmemesi adına önemlidir. [6]
4.4.7. Yanmazlık Özelliği Bütün organik malzemeler, polimerler de dâhil, bir alevin varlığında yanarlar. Polimer kompozitler ısıtıldığında, polimer yapı kimyasal olarak çözünmeye başlar. Çözünmenin başladığı sıcaklık ve yanma sonucu çıkan duman tipi polimerin yapısına bağlıdır. Farklı reçine ve kompozitler yüksek sıcaklıklara kadar bozunmadan kalabilmektedir. Elyaf takviyeli kompozitlerde maksimum işlem sıcaklığı reçine malzemesinden yüksek ya da düşük olabilir. Yüksek ısıl iletkenliği olan fiberler yanıcılığı önlemeye yardımcı olurken, düşük özellikteki fiberler ise zarar verici olabilmektedir.
5. SMC YÖNTEMİ İLE TRAKTÖR KAPORTASI İMALATI Birçok alanda yaygın bir şekilde kullanılmaya başlayan SMC ve BMC ürünlerin yeni bir örneği de traktör kaportalarıdır. Traktör kaportalarında 4-5 sene öncesine kadar yaygın olarak kullanılan yöntem sac şekillendirme yöntemi idi. Zaman içerisinde kompozit malzeme sektöründe maliyetlerin azalmasıyla kompozit malzeme üretimi yaygınlaştıkça yavaş yavaş sac kaportaların yerini kompozit kaportalar almaya başlamıştır.
Traktör kaportalarında uzay kasa diye tabir edilen bu tasarım ve malzeme birçok avantajı da beraberinde getirmiştir. Düşük burunlu, damla modeli, önden arkaya doğru genişleyen ve yuvarlak hatlara sahip kaportalar sayesinde artık traktör pazarına hem estetik olarak önemli bir sınıf atlatılmıştır, hem de mühendislik plastiklerinin yapılarından kaynaklanan önemli kullanım avantajları sunulmuştur. [30]
Motorun ne kadar ısındığına bağlı olarak bu ısının nasıl giderilebileceği, kabinli veya kabinsiz modellerde, modele bağlı olarak ne kadar ses ve vibrasyon yalıtımı yapılacağı ve en önemlisi kokpitte oturan kişi için sağlanacak görüş alanının ne kadar geniş olacağı artık kaporta ve bileşenlerinin tasarım aşamasında en ince ayrıntısına kadar hesaplanmakta ve ürün realizasyonu bu doğrultuda gerçekleşmektedir.
SMC traktör kaportalarının getirdiği başlıca avantajlar şöyle sıralanabilir:
Tarımda kullanılan gübrelerin son derece asitli olması en kaliteli sacları bile deforme ederken SMC ürünler kimyasal olarak inert oldukları için bu tip korozif ortamlardan etkilenmemektedir. Ayrıca SMC kaporta boyandıktan sonra güneşten etkilenmez
Sac malzemenin puntalama, eğme, bükme gibi çok sayıda işlemi zahmetli olmakta, SMC yönteminde ise tek işlemde ürün hazır hale gelebilmektedir.
Maliyet açısından karşılaştırıldığında sac maliyeti ile kompozit malzemenin maliyeti neredeyse aynı duruma gelmektedir.
SMC kaportaların otomotiv sektöründe lider olamamasının tek nedeni olarak A sınıfı yüzeyin tam olarak elde edilemeyişi gösterilmektedir.
Bu bölümde polimer esaslı kompozit malzeme ile üretim uygulaması yapılmıştır. Uygulama, hazır kalıplama bileşenlerinden SMC yöntemi ile bir traktör kaportası imalatı ayrıntılı olarak
incelenmiştir. Uygulama için CTP Kompozit Plastik San. Ve Tic. Ltd. Şti. firmasına gidilerek sağlıklı bir gözlem yapmak mümkün olmuştur.
5.1. SMC Hazır Kalıplama Bileşeninin Hazırlanması SMC ilk kez 1960’ların sonunda bulunarak kullanılmaya başlanan, daha sonra cam içeriği, daha az çeken polyesterler vb kullanılarak geliştirilen polimerik malzemeye verilen isimdir. İsminden de anlaşılabileceği gibi kuru bir levha halinde kalıplama bileşeni – reçine emdirilmiş kesik cam parçaları, additifler, dolgu ve katalist karışımı içeren bu karışım, otomotiv, elektrik, ev aletleri, endüstriyel uygulamalar vb. gibi birçok alanda kullanım bulmuştur. Temelde polyester reçinelerle kullanılan bu metot, mekanize bir metot olması, düşük insan emeği gereksinimi, yüksek verimliliği ile yılda 10.000 ve üzerindeki parça üretimleri için (bir kalıptan alınacak parça sayısı) ideal bir metottur. Kapalı kalıplamanın kullanıldığı bir sistem olması, sitren emisyonları ve cam elyafı ile daha az temas açısından da iyileştirilmiş atölye şartlarıyla diğer açık kalıplama sistemlerine oranla bir başka avantajı da taşımaktadır. [24]
5.1.1. Formülasyon Bileşenleri SMC kimyası, içerdiği kompozit malzemenin doğası gereği karmaşıktır. Karışım; sitren monomer içersinde bir polyester reçine, inert bir dolgu, elyaf takviye malzemesi (genellikle cam elyafı), bir polimerizasyon katalisti ve metal oksit kalınlaştırıcılardan oluşur. Değişik uygulama alanlarına yönelik değişik bitmiş ürün özelliklerinde sayısız formülasyon alternatifleri tasarlanabilir. Tipik bir SMC formülasyonu Tablo 5.1.’de verilmiştir.
Tablo 5.1. SMC Formülasyon Bileşenleri [24] Malzeme Doymamış Polyester Reçine Termoplastik Reçineler (Low Shrink Additif) İnert Dolgu, Kalsit Cam Elyaf Polimerizasyon Katalisti Kalınlaştırma Malzemesi İç Kalıp Ayırıcı
% 24 3 41 30 0,3 0,7 1
Kullanılan polyester reçineler genellikle oldukça reaktif tiplerdir. Polyesterin tip ve özellikleri bitmiş ürün üzerinde en temel belirleyici etmenlerdir. Malzemenin kimyasal dayanımı, dış ortama, ısıya direnci hep polyester reçinenin yapısından gelir. Yine kalıplama süreleri (kalıp sıcaklıkları, katalist tip ve miktarıyla birlikte), kalınlaşma süresi (kalınlaştırma ajanı metal oksit tip ve miktarıyla birlikte) üzerinde de polyester çok belirleyici bir etkiye sahiptir. Paralel sonuçlar almada polyesterin kararlılığı da çok önemli bir etmendir. Her ne kadar mekanik özellikler aslen kullanılan elyaf tipi, kırpıntı uzunluğu ve miktarı ile belirlense de polyesterin yapısı da mekanik özellikler üzerinde ciddi etkiye sahiptir.
İnert dolgu olarak genellikle kalsit (CaCO3) kullanılır ve sisteme sertlik kazandırır. Dolgu ve cam elyafı sisteme belli bir yanmazlık da vermektedir. Yanmazlığın artırılması için Kalsitle birlikte veya kalsit yerine Alüminyum Hidroksit veya ATH (alümina trihidat) kullanılması da söz konusu olabilir. Başka özellikler için başka dolguların kullanımı da mümkündür.
Kalınlaştırma ajanı olarak metal oksit, hidroksit veya alkolatları kullanılır. Kalınlaştırıcıların fonksiyonu tam olarak anlaşılamamakla birlikte, pasta halindeki karışımın kalınlaşarak ele bulaşmayan bir hamur haline gelmesini sağlarlar. Kalınlaştırıcıların reçine hidroksilleri üzerinden zayıf bağlar kurarak bunu sağladığı düşünülmektedir. Metal stearatlar, kaydırıcı olarak hamurda yer alarak iç kalıp ayırıcı olarak çalışırlar.
Polimerizasyon katalistleri (veya başlatıcıları) olarak sıcakla tetiklenen peroksitler kullanılmaktadırlar. Peroksitler serbest radikal polimerizasyonunu (çapraz bağlanma reaksiyonunu) başlatarak malzemenin sertleşmesini sağlarlar. Genelde perbenzoat bileşikleri kullanılmakla birlikte farklı peroksitlerin kullanıldığı formüllerde tasarlanabilir. Formülde aynı zamanda başka katkıların da performans veya süreci iyileştirme amaçlarıyla kullanılabileceğini de belirtelim.
5.1.2. Pastanın Hazırlanması SMC hazır kalıplama pestili imalatında kullanılan polyester reçine, dolgu maddeleri, hızlandırıcılar, kalıp ayırıcılar ve diğer ajanlar firma bünyesinde laboratuvar şartlarında testlerden geçirilir. İstenen özellikleri sağlayan bileşenlerin hangi oranda karıştırılacağı hassas bir biçimde belirlenir. Bu malzemeler gerekli oranlarda mikserde karıştırılarak belirli bir viskoziteye ulaştırılır. Dolgu maddesi olarak “kalsit” kullanılmaktadır. Karışımın en temel bileşenlerinden biri olan bu malzeme rijitliği ve düzgünlüğü sağlamaktadır. Mikserde istenen viskoziteye gelen malzeme elyaf ıslatmaya hazır hale gelir.
5.1.3. Elyaf Islatma ve Pestilin Hazırlanması Bu aşama, işlemin en önemli kısımlarından biri olup matris malzemesinin, elyaflarla takviye edildiği safhadır. Bu işlem özel SMC makinelerinde gerçekleştirilir. SMC makinesinin çalışma prensibi Şekil 5.1.’de görülebilir. Makinenin önemli kısımları; reçinenin dökülceği iki adet pota, iki polietilen film tabakası için iki film yürüme bandı, uygun boyutta elyaf kesici ve sıkıştırma silindirleridir. Mikserde hazırlanmış polyester pasta önce potadan polietilen gibi taşıyıcı bir film üzerine akıtılır. Dışarıdan makaralar halinde satın alınmış olan cam elyaf ipi kesme makinesi içinde 20 mm boyutunda kesilir ve düzgün bir dağlımla bu pasta üzerine yayılır. İkinci bir taşıyıcı film üzerindeki ikinci bir kısım pasta tekrar elyaf üzerine akıtılır. Daha sonra taşıyıcı filmler arasında sandviç haline gelen bu elyaf reçine karışımı bir seri rulolar arasında sıkıştırılarak reçinenin elyafı tamamen ıslatması sağlanır.
Şekil 5.1. SMC Elyaf Islatma ve Pestil Hazırlama Makinesi Şematik Görüntüsü Daha sonra levhalar kalınlaşmaları (veya bu aşamaya olgunlaşma denir) için beklemeye bırakılırlar. Bu kalınlaşma kısmı en kritik aşamalardan biridir ve genellikle 3-6 gün sürer. Bu süre mevsim şartlarına göre de değişmektedir. Uygun sıcaklık koşullarında dahi minimum 3 gün beklenmeli fakat kesin bir sonuç için 5-6 gün daha uygun olmaktadır. Fazla beklemenin de çeşitli olumsuzlukları vardır. Çok beklemiş bir SMC bileşeni fazla sertleşecek ve içyapısı bozulacaktır. Ayrıca fazla sertleşmiş malzemeyi şekillendirmek için gerekli basınç ihtiyacı da artacaktır. Bu sürenin kritik olma sebeplerinden biri de viskozitesinin pasta hazırlama aşamasında düşük olması beklenirken (elyafı iyi ıslatabilmesi için), kalıplama aşamasında viskozitenin elyafın pastadan ayrılmamasına yetecek düzeyde yüksek olması ama kalıplama sırasında kalıp içersinde yayılmasına izin verecek düzeyde de kalması gerekliliğidir.
Hazırlanan kalıplama pestilleri (SMC), rulo halinde ya da sandıkta kumaş gibi katlanarak saklanır. Genellikle 15 ˚C sıcaklıklarda bekletilen SMC pestillerinin raf ömrü takriben 6 ay civarındadır.
5.2. SMC Sıcak Kalıplama İşlemi Hazırlanan SMC hazır kalıplama pestillerini şekillendirmek için sıcak kalıplama yöntemi kullanılır. Sıcak kalıplama işlemleri H tipi ya da kızaklı hidrolik preslerde gerçekleşmektedir.
Bu presler 150 – 1320 ton arası kapasitelere sahiptir.
5.2.1 Kalıbın Hazırlanması SMC traktör kaportası sıcak kalıplama ile üretilir. Kalıbın hazırlanması; kalıp tasarımı, kalıp üretimi, kontrol ve son işlemler olarak üç safhada gerçekleşebilmektedir. Bu işlemde kullanılan kalıplar çelikten imal edilmiş olup kullanım yerine göre 1045 ya da 4140 çelikler kullanılabilmektedir. Kalıp tasarımları müşteriden gelen istekler doğrultusunda ya firma taraından gerçekleştirilir ya da müşterilerden direk gelebilmektedir. Parçaların tasarımı Solidworks programı yardımıyla gerçekleştirilerek simülayon eklentileri ile bir ön kontrolü sağlanır. (Şekil 5.2.)
Şekil 5.2. Kalıp ve Parça Tasarımı ile Bilgisayarda Modelleme Parçanın kalıbı çıkartıldıktan sonra CAM programı ile CNC dik işleme tezgahlarına aktarılır. Geniş tablalı CNC dik işleme merkezleri ile kalıplar işlenir(Şekil 5.3.). Kalıpların firma içerisinde imal edilebilmesi ile hem kalite ve performans kontrolü, hem zaman kazancı sağlanmaktadır. Bilgisayar destekli tasarım ve üretim sayesinde kalıplar büyüklük ve kütlelerine göre en kısa zamanda işlenir. Bir pilot üretim gerçekleştirilir ve kalıp müşteri tarafından onaylandıktan sonra seri üretime sorunsuz bir biçimde geçilir.
Şekil 5.3. CNC Dik İşleme Merkezinde Kalıbın İşlenmesi 5.2.2. Şarj Hazırlama ve Yerleştirme SMC kalıplama işleminde bir dişi bir erkek olmak üzere iki kalıp kullanılmaktadır. CNC dik işleme merkezinde işlenen kalıplar 1320 ton kapasiteli kızak sistemli ÖZKOÇ marka hidrolik prese yerleştirilmiştir. Firmada her kalıbın bir el kitabı vardır. Bu el kitaplarında kalıbın o güne kadar gördüğü her işlem yazmaktadır. Alt ve üst sıcaklık değerleri, soğutma aparatı, hammadde kodu, baskı ağırlığı, pişme zamanı ve benzeri çeşitli bilgiler bu el kitaplarında bulunmaktadır. Yeterli viskoziteye sahip katılaşma işlemini tamamlamış rulo halindeki SMC malzeme belirli boyutlarda kesilerek taşıyıcı film tabakalarından ayrılır. Malzemenin özelliklerine ve akışkanlığına göre kesilen parçaların boyutu kalıp yüzeyinin yaklaşık % 80’ini kaplayacak kadar olmalıdır. Ayrılan malzemeler kat kat dizilerek 16 kg ağırlığında bir şarj hassas elektronik bir tartıda tartılarak hazırlanır. Daha sonra bu şarj malzemesi kalıba yerleştirilir. (Şekil 5.4)
Şekil 5.4. Şarjın Kalıba Yerleştirilmesi
5.2.3. Kalıbın Kapatılması ve Malzemenin Şekillendirilmesi Şarjın yerleştirilmesinini ardından kızaklı hidrolik pres ile üst kalıp önce hızlı bir şekilde şarj yüzeyine gelir. Daha sonra 4-12 mm/s gibi yavaş bir hızla kalıplama işlemi gerçekleştirilir. Bu işlemde kalıp sıcaklığı 150 ˚C sıcaklığındadır. Kalıp ısıtma tekniği olarak elektrikli ısıtma kullanılmaktadır. Kalıplama (pişirme) süresi 4,5 dk civarında olup basınç 80 kg/cm2 değerindedir. Hidrolik preste emniyet için bir ışık bandı bulunmaktadır. Kalıpta insert kısımları bulunur. Bu insert kısımları parçada insert delikleri oluşturarak parçanın montaj kolaylığı sağlanır.
5.2.4. Kalıptan Çıkarma ve Son Kürleşme Kalıplama işleminin sonunda, kalıp açılır ve parça dişi kalıptan ejektör pinler yardımı ile çıkartılır.(Şekil 5.5.) Çıkartılan parçalar dış ortam sıcaklığında soğumaya bırakılır. Parça bu esnada kürleşmeye ve kendini çekmeye devam eder. Soğuma işleminden sonra yüzeye zımparaama işlemi uygulanarak pürüzlerin giderilmesi sağlanır.
Şekil 5.5. Kalıbın Açılması ve Katılaşmış Parça
5.3. Boyama CTP Kompozit firmasında ayrı bir boyahane tesisi bulunmaktadır. Bu tesis zımparalama ve hazırlık işlemlerinden ayrı bir alanda gerçekleştiğinden son kat boyama işlemi tozsuz bir ortamda yürütülebilmektedir. Boyama işlemi esnasında çevre ve insan sağlığını koruyucu önlemler alınmıştır. Boyanan parçalar daha sonra kurumaya bırakılır (Şekil 5.6.)
Şekil 5.6. Boyama ve Kurutma İşlemleri 5.4. Kalite Kontrol CTP Kompozit firmasında satın alınan bütün ürünler belirli testlerden geçirilerek uygunlukları kontrol edilmektedir. Firma bünyesindeki laboratuvarlarda her hammaddenin son ürün
oluncaya kadar her işlemi kimyasal ve mekanik testler ile denetim altında tutulmaktadır. SMC hazır kalıplama bileşeni üretildikten sonra bir adet prototip deney çubuğu üretilerek laboratuvarda mukavemet değerleri tayin edilir. Parçanın çekme, bükme, eğme testleri gerçekleştirlir, viskozite ve ısı etkileri ölçülür (Şekil 5.7.)
Şekil 5.7. SMC Deney Çubuğu İçin Mekanik Test Makinesi SMC üretimi etkileyen en önemli unsurlardan biri de kalıptır. Kalıbın hatalı olup olmadığını kontrol etmek amacıyla dişi ve erkek kalıp arasına çok ince özel bir boya sürülerek kalıp yavaşça kapatılır. Eğer boya kazınırsa kalıbın hatalı olduğu sonucna varılır.
5.5. Son İşlemler Parçanın üretimi bittikten sonra sevkiyat için son kontroller yapılır. Düzeltilebilecek bir hata varsa düzeltilir ve kaportanın havalandırma ızgarası ile birleştirme işlemi gerçekleşir. Far boşluklarına far yuvaları takılır. Böylece parçalar sıfırdan son haline getirilerek müşteriye eksiksiz bir biçimde teslim edilmektedir. Şekil 5.8. de parçanın son hali görülmektedir.
Şekil 5.8. SMC Malzemeden Üretilen Traktör Kaportasının Son Hali
6. SONUÇ Kompozit malzemeler gelişen teknoloji ve çağın bir gereği olarak doğan yeni ihtiyaçlara cevap verebilen malzemelerdir. Kullanım yerine göre çeşitli mekanik, fiziksel, ısıl vb. özelliklerin bir arada bulunabilmesi ile mühendislikte yeni bir çığır açmıştır. Önceleri kompozit malzeme kullanımı havacılık ve uzay sanayi benzeri ileri teknolojik sektörlerle sınırlı kalsa da zaman içerisinde üretim ve hammadde maliyetleri düşmüş ve her alanda muadili malzemelerle rekabet edebilecek konuma gelmiştir. Bugün otomotivden spora, müzikten tıbba, şehircilikten inşaat sektörüne her alanda kompozit malzeme kullanımına rastlamak mümkün olmaktadır. Traktör kaportalarında kompozit malzeme kullanımı korozyona karşı iyi bir çözüm sağlamakta, üretimi kolaylaştırmakta, maliyeti önemli ölçüde arttırmamakta ve bunun yanında estetik bir görünüm kazandırmaktadır. Hafiflik ve tasarım esnekliği de göz ardı edilmemesi gereken diğer avantajlardır. Kompozit malzemeler konusunda bilimsel araştırmalar devam ettikçe çeşitli gelişmeler yaşanacak ve mühendisliğin sınırları genişleyerek yaşamımızı kolaylaştıracak yeni tasarımların önü açılacaktır.
KAYNAKÇA [1] Aran, A. , Afacan, M. “Karbon Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler” “Mühendis ve Makine” Cilt:29 Sayı:345 Ekim 1988 [2] Arıcasoy, O. , “Kompozit Sektör Raporu” İstanbul Ticaret Odası 2006 [3] Arıcı, A.A. , Genç Ç. “Yat İmalatında Kullanılan CTP malzeme ve imalat yöntemleri” “Gemi ve Deniz Teknolojisi” Sayı: 178 16-38 Ekim 2008
[4] Arslan N., Kaman M.O. “Alüminyum, Kâğıt ve Cam Elyaf Petek Yapılı Kompozitlerin Üretim Teknikleri ve Mekanik Özelliklerinin Araştırılması” “Dokuz Eylül Üniversitesi Fen ve Mühendislik Dergisi” Cilt:4 Sayı:3 113-123 Ekim 2002
[5] Ataş C., “Kompozit Malzemeler Ders Notları” Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Mühendisliği 2008
[6] Barbero E.J. "Introduction to Composite Materials”, West Virginia University, USA 1999
[7] Bedir F., “Alüminyum kompozitlerin Üretimi, Karakteristik Özellikleri ve Endüstriyel Uygulamaları”
[8] Eker Akdoğan A., “İmalatta Kompozit Malzemeler Ders Notları” (2008)
[9] Enişçi A, “Endüstriyel Tasarımda Polimer Esaslı Kompozit Malzemeler” “Gemi ve Deniz Teknolojisi” 5-15 Ekim 2008 [10] Mallick, P.K., “Composites Engineering Handbook”, Marcel Dekker,Inc., Newyork USA, 1997 [11] Peters, S.T. “Handbook of Composites” Mountain View, Calfornia, USA1998
[12] Sınmazçelik, T , "Makine Elemanlarında Kompozit Malzeme Kullanımı, Özellikleri ve Tasarım İlkeleri", “Makina Tasarım ve İmalat Teknolojileri Kongresi” , 65-74, 2001, KONYA
[13] Sönmez. F. Ö., “Otomotiv Sanayinde Kompozit Malzeme Kullanımı”, “Mühendis ve
Makine”, Cilt 39, Sayı 465, Mayıs 2000
[14] Şahin Y. “Kompozit Malzemelere Giriş” Seçkin Yayınevi Ankara 2006
[15] Tarakçılar A.R. ,Taşgetiren, S., Topçu M. “Mühendislik Malzemesi Olarak Kompozitler ve özelliklerini belirleyen faktörler ”,”Mühendis ve Makine” cilt:36 sayı:420, 199 23-27 [16] Ünal O., “Yapı Malzemesi Ders Notları” 2006
[17] Yapıcı, A, Şahin, Ö.S. "Fiber Takviyeli Tabakalı Termoplastik Kompozit Levhalarda Delik Kenar Arasında Oluşan Elasto-Plastik Gerilmeler", “Mühendis ve Makine” - Cilt: 44 Sayı: 519” 41-45 Nisan 2003
[18] Yaşar, İ.ve Arslan, F.,” Sürekli Cam Elyaf Takviyeli Polyester Matrisli Kompozitlerde Elyaf Hacim Oranı ve Elyaf Doğrultusunun Tribolojik Özelliklere Etkisi “ Türk Mühendislik ve Çevre Bilimleri Dergisi” ,2000 s.181-191 [19] Yılmaz R, Cam Seramik Matrisli Kompozit Malzeme Araştırmalarında Ortaya Çıkan Problemlerin Değerlendirilmesi, “Metal Dünyası”, Sayı 165, 146-151, Şubat 2007 [20] “Spor Araçlarında Kompozit Malzeme Kullanımı” “New Scientist”, 14 Ağustos 2004 çev: Reyhan Oksay İnternet Kaynakları [21] http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/ [22] http://www.mtbtr.com/gezi_yayin/ [23] www.obitet.gazi.edu.tr [24] www.poliya.com.tr [25] www.tegim.com [26] www.xengineer.net [27] www.tei.com.tr [28] www. isxtv.com [29] www.fidaskompozit.com [30] www.ctp.com.tr
